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UNIVERSIDAD DE CHILE Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas. Departamento de Ciencias de los Alimentos y Tecnología Química. Laboratorio de Operaciones Unitarias e Hidrometalurgia. MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE QUÍMICO Juan Patricio Canales Vera Estudio de remoción y/o recuperación de cobre y cinc desde soluciones acuosas ácidas mediante microencapsulación de extractantes no específicos mediante polimerización radicalaria in situ”. DIRECTORES DE TESIS Prof. Ms. Ing. Fernando Valenzuela L. Prof. Jaime Sapag-Hagar PROFESOR PATROCINANTE Prof. Dr. Carlos Basualto F. 2008

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UNIVERSIDAD DE CHILE Facultad de Ciencias Quiacutemicas y Farmaceacuteuticas

Departamento de Ciencias de los Alimentos y Tecnologiacutea Quiacutemica

Laboratorio de Operaciones Unitarias e Hidrometalurgia

MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE QUIacuteMICO

Juan Patricio Canales Vera

ldquoEstudio de remocioacuten yo recuperacioacuten de cobre y cinc desde soluciones

acuosas aacutecidas mediante microencapsulacioacuten de extractantes no

especiacuteficos mediante polimerizacioacuten radicalaria in siturdquo

DIRECTORES DE TESIS

Prof Ms Ing Fernando Valenzuela L

Prof Jaime Sapag-Hagar

PROFESOR PATROCINANTE

Prof Dr Carlos Basualto F

2008

Dedicado a mis padres Juan y Patricia

por su incondicional confianza y apoyo

Agradecimientos

A mi profesor guiacutea Fernando Valenzuela por su dedicacioacuten apoyo y confianza

depositados durante todo el periacuteodo de permanencia en el laboratorio

A las personas que integran el grupo del laboratorio Profesor Jaime Sapag Profesor

Carlos Basualto mis compantildeeros Claudio Araneda Felipe Pozo y de forma especial a

Eduardo Ibantildeez por su permanente cooperacioacuten

A todo mi grupo familiar especialmente a mis hermanos Ignacio Gino y Giovanna

por su preocupacioacuten y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores

A quienes son mis amigos y compantildeeros por su tremendo apoyo emocional en todo

momento Fabiacutean Vargas Octavio Farias Victor Hugo Cisternas Constanza Carrillo y

Baacuterbara Palomino

De manera especial a los docentes de la Universidad de Chile con quienes me forjeacute

como persona estudiante y profesional en todos estos antildeos

Agradecemos a FONDECYT por el apoyo econoacutemico brindado a este estudio a traveacutes del proyecto Nordm 1070608

INDICE GENERAL

1 INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

2 OBJETIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

21 OBJETIVO GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

22 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

31 REACTIVOS Y MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

32 CARACTERIZACIOacuteN QUIacuteMICA Y MORFOLOacuteGICA DE LAS MICROCAacutePSULAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

33 EXPERIMENTOS DE ADSORCIOacuteN METALUacuteRGICA DE CU Y ZN SOBRE LAS MICROCAacutePSULAShellip10

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

41 ADSORCIOacuteN DE CU Y ZN MEDIANTE MICROENCAPSULACIOacuteN DEL EXTRACTANTE PC 88-Ahelliphelliphellip11

411 Sintesis de microcaacutepsulas con el extractante alquil fosfoacutenicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones aacutecidashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

42 ADSORCIOacuteN DE LOS METALES MEDIANTE OTROS EXTRACTANTES MICROENCAPSULADOShelliphelliphellip35

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBPhelliphelliphellip37

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336helliphelliphelliphellip 42

5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

RESUMEN

En esta Memoria de Tiacutetulo se estudioacute la recuperacioacuten de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan drenajes aacutecidos de mina y aguas residuales industriales mediante la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea radicales libres empleando en la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica una proporcioacuten de divinilbenceno-estireno previamente establecida Se inmovilizoacute en ellas distintos tipos de extractantes incluyendo los compuestos de tipo aacutecido-fosforados PC-88A y D2EHPA el compuesto quelante LIX 84-I los extractantes baacutesicos intercambiadores de aniones Aliquat 336 Alamine 336 y TOA y los compuestos neutros solvatantes TOPO y TBP El estudio se dividioacute en dos partes 1) Microencapsulacioacuten del extractante PC-88A cuya siacutentesis resultoacute ser sencilla y de alta eficiencia aumentando el rendimiento a medida que se incrementa el contenido de extractante Se observoacute ademaacutes que al aumentar la velocidad de agitacioacuten en el reactor se reduciacutea el tamantildeo de las microesferas obtenidas La determinacioacuten del extractante encapsulado fue efectuada por titulacioacuten potenciomeacutetrica y la caracterizacioacuten fiacutesica de las microesferas se realizoacute entre otras metodologiacuteas mediante microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) Resultados de pruebas de adsorcioacuten metaluacutergica en soluciones aacutecidas indicaron una mejor extraccioacuten de cinc respecto a cobre tanto en sus aspectos de equilibrio como cineacuteticos Se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de Cu y Zn con estas microcaacutepsulas se rige por un modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden 2) Microencapsulacioacuten de otros extractantes la produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para el extractantes aacutecido D2EHPA los de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat 336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I Se observoacute una muy buena adsorcioacuten de Zn con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA en cambio la de ambos metales con los compuestos solvatantes TOPO y TBP resultoacute ser de baja eficiencia Tambieacuten se obtuvo una alta extraccioacuten de Zn(II) con Aliquat 336 desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al predominar en ella las especies anioacutenicas extraiacutebles ZnCl4

2- Como conclusioacuten global se puede indicar que la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria atractiva y de gran potencial en hidrometalurgia

STUDY OF REMOVAL AND RECOVERY OF COPPER AND ZINC FROM ACID AQUEOUS SOLUTIONS BY USING MICROENCAPSULATION OF NON-SPECIFIC EXTRACTANTS BY IN SITU RADICAL POLYMERIZATION

It is studied the recovery of copper and zinc from acid aqueous solutions that simulate acidic mine drainage and industrial residual waters by a non-specific extractants microencapsulation method The microcapsules (MCs) were prepared by in situ free-radical polymerization The polymeric matrix was conformed by a divinylbenzene-styrene structure selected from a former study It were immobilized in the microcapsules several types of extractants including the acid alkyl-phosphorous compounds PC-88A and D2EHPA the chelating extractant LIX 84-I the anion-exchanger basic compounds Aliquat 336 Alamine 336 and TOA and the solvating neutral compounds TOPO and TBP The study was divided in two sections 1) Microencapsulation of the extractant PC-88A whose synthesis resulted to be simple and highly efficient being observed that the yield of microcapsules increased as the content of extractant did it It was also observed that the size of MCs was reduced as the stirring speed during the synthesis was augmented The determination of the extractant retained in the MCs was carried out by a potentiometric method and the physical characterization pf the microspheres was accomplished among other methodologies by scanning electron microscopy (SEM) Metallurgical adsorption tests carried out in acid solutions indicate a better extraction of Zn(II) with respect to Cu(II) as much as in their equilibrium and kinetics aspects It was verified that the chemisorption process of both metals onto the MCs is governed by a pseudo-second-order kinetics model 2) Microencapsulation of other extractants The production of microspheres presented a high performance for the extractants D2EHPA TOPO TBP and the quaternary ammonium salt Aliquat 336 It was obtained lower yields when using the basic compounds Alamine 336 and TOA and it were not achieved microcapsules with the compound LIX 84-I It was observed a good adsorption of zinc with MCs with D2EHPA but the extraction of both metals (Cu and Zn) using TOPO and TBP was low It was also accomplished a high extraction of Zn(II) with microspheres with Aliquat 336 from an high chloride content-aqueous solution due probably to the existence in it of extractable ZnCl4

2- anionic species of this metal As a global conclusion it can be noted that this methodology of microencapsulation of extractants is highly promising and attractive presenting a huge potential in hydrometallurgy

1 INTRODUCCIOacuteN

Uacuteltimamente la preocupacioacuten medio ambiental ha tomado roles bastante importantes

en las distintas poliacuteticas implementadas a nivel nacional e internacional en particular en lo

relacionado con el manejo de residuos o desechos liacutequidos industriales en particular

aquellos originados en la actividad quiacutemica y minera Esta aacuterea de la economiacutea nacional

presenta tres grandes problemas a) la acumulacioacuten de soacutelidos sedimentables en los cuerpos

de agua receptores b) la generacioacuten de drenajes aacutecidos de mina generados en forma natural

alrededor de depoacutesitos de distintos sulfuros de metales y la accioacuten de ciertas bacterias que

transforman estos sulfuros en aacutecido sulfuacuterico y que generar ion feacuterrico agente altamente

oxidante y c) la presencia de una gran variedad de metales pesados en las aguas de descarte

de sus procesos denominadas comuacutenmente como RILes De hecho es de gran necesidad

desarrollar sistemas que permitan por un lado recuperar estos metales pesados cuando

presentan un valor econoacutemico o bien removerlos cuando se constituyen en especies toacutexicas

y peligrosas

Estas soluciones de descarte se obtienen a partir de los distintos procesos

desarrollados en la industria quiacutemica y minera como son las etapas de lixiviacioacuten quiacutemica

en procesos de obtencioacuten de metales como cobre y cinc en procesos de flotacioacuten

extraccioacuten por solventes entre otros Lo anterior presenta una importancia mucho mayor si

se observa el gran desarrollo industrial y minero que ha alcanzado nuestro paiacutes en las

uacuteltimas deacutecadas dada la gran cantidad de yacimientos de distintos tipos de metales que hoy

son explotados los cuales constituyen importantes fuentes de crecimiento y con ello

adicionalmente de contaminacioacuten 1-4)

Entre los meacutetodos maacutes utilizados para remover o recuperar estos metales desde este

tipo de soluciones desde hace ya bastante tiempo es posible mencionar la extraccioacuten por

solventes (SX) 5-7) el uso de resinas de intercambio ioacutenico (IX) 89) y de membranas liquidas

emulsificadas (MLE) 10-12) Alternativamente a estos meacutetodos a partir de fines de la deacutecada

de los noventa se ha venido desarrollando la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de

extractantes no-especiacuteficos una teacutecnica que presenta varias ventajas comparativas en

relacioacuten a las tecnologiacuteas anteriormente mencionadas dentro de las cuales se pueden

mencionar la de presentar estas microesferas una alta aacuterea interfacial una alta selectividad

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Page 2: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Dedicado a mis padres Juan y Patricia

por su incondicional confianza y apoyo

Agradecimientos

A mi profesor guiacutea Fernando Valenzuela por su dedicacioacuten apoyo y confianza

depositados durante todo el periacuteodo de permanencia en el laboratorio

A las personas que integran el grupo del laboratorio Profesor Jaime Sapag Profesor

Carlos Basualto mis compantildeeros Claudio Araneda Felipe Pozo y de forma especial a

Eduardo Ibantildeez por su permanente cooperacioacuten

A todo mi grupo familiar especialmente a mis hermanos Ignacio Gino y Giovanna

por su preocupacioacuten y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores

A quienes son mis amigos y compantildeeros por su tremendo apoyo emocional en todo

momento Fabiacutean Vargas Octavio Farias Victor Hugo Cisternas Constanza Carrillo y

Baacuterbara Palomino

De manera especial a los docentes de la Universidad de Chile con quienes me forjeacute

como persona estudiante y profesional en todos estos antildeos

Agradecemos a FONDECYT por el apoyo econoacutemico brindado a este estudio a traveacutes del proyecto Nordm 1070608

INDICE GENERAL

1 INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

2 OBJETIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

21 OBJETIVO GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

22 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

31 REACTIVOS Y MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

32 CARACTERIZACIOacuteN QUIacuteMICA Y MORFOLOacuteGICA DE LAS MICROCAacutePSULAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

33 EXPERIMENTOS DE ADSORCIOacuteN METALUacuteRGICA DE CU Y ZN SOBRE LAS MICROCAacutePSULAShellip10

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

41 ADSORCIOacuteN DE CU Y ZN MEDIANTE MICROENCAPSULACIOacuteN DEL EXTRACTANTE PC 88-Ahelliphelliphellip11

411 Sintesis de microcaacutepsulas con el extractante alquil fosfoacutenicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones aacutecidashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

42 ADSORCIOacuteN DE LOS METALES MEDIANTE OTROS EXTRACTANTES MICROENCAPSULADOShelliphelliphellip35

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBPhelliphelliphellip37

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336helliphelliphelliphellip 42

5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

RESUMEN

En esta Memoria de Tiacutetulo se estudioacute la recuperacioacuten de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan drenajes aacutecidos de mina y aguas residuales industriales mediante la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea radicales libres empleando en la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica una proporcioacuten de divinilbenceno-estireno previamente establecida Se inmovilizoacute en ellas distintos tipos de extractantes incluyendo los compuestos de tipo aacutecido-fosforados PC-88A y D2EHPA el compuesto quelante LIX 84-I los extractantes baacutesicos intercambiadores de aniones Aliquat 336 Alamine 336 y TOA y los compuestos neutros solvatantes TOPO y TBP El estudio se dividioacute en dos partes 1) Microencapsulacioacuten del extractante PC-88A cuya siacutentesis resultoacute ser sencilla y de alta eficiencia aumentando el rendimiento a medida que se incrementa el contenido de extractante Se observoacute ademaacutes que al aumentar la velocidad de agitacioacuten en el reactor se reduciacutea el tamantildeo de las microesferas obtenidas La determinacioacuten del extractante encapsulado fue efectuada por titulacioacuten potenciomeacutetrica y la caracterizacioacuten fiacutesica de las microesferas se realizoacute entre otras metodologiacuteas mediante microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) Resultados de pruebas de adsorcioacuten metaluacutergica en soluciones aacutecidas indicaron una mejor extraccioacuten de cinc respecto a cobre tanto en sus aspectos de equilibrio como cineacuteticos Se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de Cu y Zn con estas microcaacutepsulas se rige por un modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden 2) Microencapsulacioacuten de otros extractantes la produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para el extractantes aacutecido D2EHPA los de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat 336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I Se observoacute una muy buena adsorcioacuten de Zn con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA en cambio la de ambos metales con los compuestos solvatantes TOPO y TBP resultoacute ser de baja eficiencia Tambieacuten se obtuvo una alta extraccioacuten de Zn(II) con Aliquat 336 desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al predominar en ella las especies anioacutenicas extraiacutebles ZnCl4

2- Como conclusioacuten global se puede indicar que la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria atractiva y de gran potencial en hidrometalurgia

STUDY OF REMOVAL AND RECOVERY OF COPPER AND ZINC FROM ACID AQUEOUS SOLUTIONS BY USING MICROENCAPSULATION OF NON-SPECIFIC EXTRACTANTS BY IN SITU RADICAL POLYMERIZATION

It is studied the recovery of copper and zinc from acid aqueous solutions that simulate acidic mine drainage and industrial residual waters by a non-specific extractants microencapsulation method The microcapsules (MCs) were prepared by in situ free-radical polymerization The polymeric matrix was conformed by a divinylbenzene-styrene structure selected from a former study It were immobilized in the microcapsules several types of extractants including the acid alkyl-phosphorous compounds PC-88A and D2EHPA the chelating extractant LIX 84-I the anion-exchanger basic compounds Aliquat 336 Alamine 336 and TOA and the solvating neutral compounds TOPO and TBP The study was divided in two sections 1) Microencapsulation of the extractant PC-88A whose synthesis resulted to be simple and highly efficient being observed that the yield of microcapsules increased as the content of extractant did it It was also observed that the size of MCs was reduced as the stirring speed during the synthesis was augmented The determination of the extractant retained in the MCs was carried out by a potentiometric method and the physical characterization pf the microspheres was accomplished among other methodologies by scanning electron microscopy (SEM) Metallurgical adsorption tests carried out in acid solutions indicate a better extraction of Zn(II) with respect to Cu(II) as much as in their equilibrium and kinetics aspects It was verified that the chemisorption process of both metals onto the MCs is governed by a pseudo-second-order kinetics model 2) Microencapsulation of other extractants The production of microspheres presented a high performance for the extractants D2EHPA TOPO TBP and the quaternary ammonium salt Aliquat 336 It was obtained lower yields when using the basic compounds Alamine 336 and TOA and it were not achieved microcapsules with the compound LIX 84-I It was observed a good adsorption of zinc with MCs with D2EHPA but the extraction of both metals (Cu and Zn) using TOPO and TBP was low It was also accomplished a high extraction of Zn(II) with microspheres with Aliquat 336 from an high chloride content-aqueous solution due probably to the existence in it of extractable ZnCl4

2- anionic species of this metal As a global conclusion it can be noted that this methodology of microencapsulation of extractants is highly promising and attractive presenting a huge potential in hydrometallurgy

1 INTRODUCCIOacuteN

Uacuteltimamente la preocupacioacuten medio ambiental ha tomado roles bastante importantes

en las distintas poliacuteticas implementadas a nivel nacional e internacional en particular en lo

relacionado con el manejo de residuos o desechos liacutequidos industriales en particular

aquellos originados en la actividad quiacutemica y minera Esta aacuterea de la economiacutea nacional

presenta tres grandes problemas a) la acumulacioacuten de soacutelidos sedimentables en los cuerpos

de agua receptores b) la generacioacuten de drenajes aacutecidos de mina generados en forma natural

alrededor de depoacutesitos de distintos sulfuros de metales y la accioacuten de ciertas bacterias que

transforman estos sulfuros en aacutecido sulfuacuterico y que generar ion feacuterrico agente altamente

oxidante y c) la presencia de una gran variedad de metales pesados en las aguas de descarte

de sus procesos denominadas comuacutenmente como RILes De hecho es de gran necesidad

desarrollar sistemas que permitan por un lado recuperar estos metales pesados cuando

presentan un valor econoacutemico o bien removerlos cuando se constituyen en especies toacutexicas

y peligrosas

Estas soluciones de descarte se obtienen a partir de los distintos procesos

desarrollados en la industria quiacutemica y minera como son las etapas de lixiviacioacuten quiacutemica

en procesos de obtencioacuten de metales como cobre y cinc en procesos de flotacioacuten

extraccioacuten por solventes entre otros Lo anterior presenta una importancia mucho mayor si

se observa el gran desarrollo industrial y minero que ha alcanzado nuestro paiacutes en las

uacuteltimas deacutecadas dada la gran cantidad de yacimientos de distintos tipos de metales que hoy

son explotados los cuales constituyen importantes fuentes de crecimiento y con ello

adicionalmente de contaminacioacuten 1-4)

Entre los meacutetodos maacutes utilizados para remover o recuperar estos metales desde este

tipo de soluciones desde hace ya bastante tiempo es posible mencionar la extraccioacuten por

solventes (SX) 5-7) el uso de resinas de intercambio ioacutenico (IX) 89) y de membranas liquidas

emulsificadas (MLE) 10-12) Alternativamente a estos meacutetodos a partir de fines de la deacutecada

de los noventa se ha venido desarrollando la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de

extractantes no-especiacuteficos una teacutecnica que presenta varias ventajas comparativas en

relacioacuten a las tecnologiacuteas anteriormente mencionadas dentro de las cuales se pueden

mencionar la de presentar estas microesferas una alta aacuterea interfacial una alta selectividad

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 3: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Agradecimientos

A mi profesor guiacutea Fernando Valenzuela por su dedicacioacuten apoyo y confianza

depositados durante todo el periacuteodo de permanencia en el laboratorio

A las personas que integran el grupo del laboratorio Profesor Jaime Sapag Profesor

Carlos Basualto mis compantildeeros Claudio Araneda Felipe Pozo y de forma especial a

Eduardo Ibantildeez por su permanente cooperacioacuten

A todo mi grupo familiar especialmente a mis hermanos Ignacio Gino y Giovanna

por su preocupacioacuten y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores

A quienes son mis amigos y compantildeeros por su tremendo apoyo emocional en todo

momento Fabiacutean Vargas Octavio Farias Victor Hugo Cisternas Constanza Carrillo y

Baacuterbara Palomino

De manera especial a los docentes de la Universidad de Chile con quienes me forjeacute

como persona estudiante y profesional en todos estos antildeos

Agradecemos a FONDECYT por el apoyo econoacutemico brindado a este estudio a traveacutes del proyecto Nordm 1070608

INDICE GENERAL

1 INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

2 OBJETIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

21 OBJETIVO GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

22 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

31 REACTIVOS Y MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

32 CARACTERIZACIOacuteN QUIacuteMICA Y MORFOLOacuteGICA DE LAS MICROCAacutePSULAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

33 EXPERIMENTOS DE ADSORCIOacuteN METALUacuteRGICA DE CU Y ZN SOBRE LAS MICROCAacutePSULAShellip10

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

41 ADSORCIOacuteN DE CU Y ZN MEDIANTE MICROENCAPSULACIOacuteN DEL EXTRACTANTE PC 88-Ahelliphelliphellip11

411 Sintesis de microcaacutepsulas con el extractante alquil fosfoacutenicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones aacutecidashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

42 ADSORCIOacuteN DE LOS METALES MEDIANTE OTROS EXTRACTANTES MICROENCAPSULADOShelliphelliphellip35

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBPhelliphelliphellip37

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336helliphelliphelliphellip 42

5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

RESUMEN

En esta Memoria de Tiacutetulo se estudioacute la recuperacioacuten de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan drenajes aacutecidos de mina y aguas residuales industriales mediante la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea radicales libres empleando en la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica una proporcioacuten de divinilbenceno-estireno previamente establecida Se inmovilizoacute en ellas distintos tipos de extractantes incluyendo los compuestos de tipo aacutecido-fosforados PC-88A y D2EHPA el compuesto quelante LIX 84-I los extractantes baacutesicos intercambiadores de aniones Aliquat 336 Alamine 336 y TOA y los compuestos neutros solvatantes TOPO y TBP El estudio se dividioacute en dos partes 1) Microencapsulacioacuten del extractante PC-88A cuya siacutentesis resultoacute ser sencilla y de alta eficiencia aumentando el rendimiento a medida que se incrementa el contenido de extractante Se observoacute ademaacutes que al aumentar la velocidad de agitacioacuten en el reactor se reduciacutea el tamantildeo de las microesferas obtenidas La determinacioacuten del extractante encapsulado fue efectuada por titulacioacuten potenciomeacutetrica y la caracterizacioacuten fiacutesica de las microesferas se realizoacute entre otras metodologiacuteas mediante microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) Resultados de pruebas de adsorcioacuten metaluacutergica en soluciones aacutecidas indicaron una mejor extraccioacuten de cinc respecto a cobre tanto en sus aspectos de equilibrio como cineacuteticos Se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de Cu y Zn con estas microcaacutepsulas se rige por un modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden 2) Microencapsulacioacuten de otros extractantes la produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para el extractantes aacutecido D2EHPA los de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat 336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I Se observoacute una muy buena adsorcioacuten de Zn con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA en cambio la de ambos metales con los compuestos solvatantes TOPO y TBP resultoacute ser de baja eficiencia Tambieacuten se obtuvo una alta extraccioacuten de Zn(II) con Aliquat 336 desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al predominar en ella las especies anioacutenicas extraiacutebles ZnCl4

2- Como conclusioacuten global se puede indicar que la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria atractiva y de gran potencial en hidrometalurgia

STUDY OF REMOVAL AND RECOVERY OF COPPER AND ZINC FROM ACID AQUEOUS SOLUTIONS BY USING MICROENCAPSULATION OF NON-SPECIFIC EXTRACTANTS BY IN SITU RADICAL POLYMERIZATION

It is studied the recovery of copper and zinc from acid aqueous solutions that simulate acidic mine drainage and industrial residual waters by a non-specific extractants microencapsulation method The microcapsules (MCs) were prepared by in situ free-radical polymerization The polymeric matrix was conformed by a divinylbenzene-styrene structure selected from a former study It were immobilized in the microcapsules several types of extractants including the acid alkyl-phosphorous compounds PC-88A and D2EHPA the chelating extractant LIX 84-I the anion-exchanger basic compounds Aliquat 336 Alamine 336 and TOA and the solvating neutral compounds TOPO and TBP The study was divided in two sections 1) Microencapsulation of the extractant PC-88A whose synthesis resulted to be simple and highly efficient being observed that the yield of microcapsules increased as the content of extractant did it It was also observed that the size of MCs was reduced as the stirring speed during the synthesis was augmented The determination of the extractant retained in the MCs was carried out by a potentiometric method and the physical characterization pf the microspheres was accomplished among other methodologies by scanning electron microscopy (SEM) Metallurgical adsorption tests carried out in acid solutions indicate a better extraction of Zn(II) with respect to Cu(II) as much as in their equilibrium and kinetics aspects It was verified that the chemisorption process of both metals onto the MCs is governed by a pseudo-second-order kinetics model 2) Microencapsulation of other extractants The production of microspheres presented a high performance for the extractants D2EHPA TOPO TBP and the quaternary ammonium salt Aliquat 336 It was obtained lower yields when using the basic compounds Alamine 336 and TOA and it were not achieved microcapsules with the compound LIX 84-I It was observed a good adsorption of zinc with MCs with D2EHPA but the extraction of both metals (Cu and Zn) using TOPO and TBP was low It was also accomplished a high extraction of Zn(II) with microspheres with Aliquat 336 from an high chloride content-aqueous solution due probably to the existence in it of extractable ZnCl4

2- anionic species of this metal As a global conclusion it can be noted that this methodology of microencapsulation of extractants is highly promising and attractive presenting a huge potential in hydrometallurgy

1 INTRODUCCIOacuteN

Uacuteltimamente la preocupacioacuten medio ambiental ha tomado roles bastante importantes

en las distintas poliacuteticas implementadas a nivel nacional e internacional en particular en lo

relacionado con el manejo de residuos o desechos liacutequidos industriales en particular

aquellos originados en la actividad quiacutemica y minera Esta aacuterea de la economiacutea nacional

presenta tres grandes problemas a) la acumulacioacuten de soacutelidos sedimentables en los cuerpos

de agua receptores b) la generacioacuten de drenajes aacutecidos de mina generados en forma natural

alrededor de depoacutesitos de distintos sulfuros de metales y la accioacuten de ciertas bacterias que

transforman estos sulfuros en aacutecido sulfuacuterico y que generar ion feacuterrico agente altamente

oxidante y c) la presencia de una gran variedad de metales pesados en las aguas de descarte

de sus procesos denominadas comuacutenmente como RILes De hecho es de gran necesidad

desarrollar sistemas que permitan por un lado recuperar estos metales pesados cuando

presentan un valor econoacutemico o bien removerlos cuando se constituyen en especies toacutexicas

y peligrosas

Estas soluciones de descarte se obtienen a partir de los distintos procesos

desarrollados en la industria quiacutemica y minera como son las etapas de lixiviacioacuten quiacutemica

en procesos de obtencioacuten de metales como cobre y cinc en procesos de flotacioacuten

extraccioacuten por solventes entre otros Lo anterior presenta una importancia mucho mayor si

se observa el gran desarrollo industrial y minero que ha alcanzado nuestro paiacutes en las

uacuteltimas deacutecadas dada la gran cantidad de yacimientos de distintos tipos de metales que hoy

son explotados los cuales constituyen importantes fuentes de crecimiento y con ello

adicionalmente de contaminacioacuten 1-4)

Entre los meacutetodos maacutes utilizados para remover o recuperar estos metales desde este

tipo de soluciones desde hace ya bastante tiempo es posible mencionar la extraccioacuten por

solventes (SX) 5-7) el uso de resinas de intercambio ioacutenico (IX) 89) y de membranas liquidas

emulsificadas (MLE) 10-12) Alternativamente a estos meacutetodos a partir de fines de la deacutecada

de los noventa se ha venido desarrollando la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de

extractantes no-especiacuteficos una teacutecnica que presenta varias ventajas comparativas en

relacioacuten a las tecnologiacuteas anteriormente mencionadas dentro de las cuales se pueden

mencionar la de presentar estas microesferas una alta aacuterea interfacial una alta selectividad

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

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7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

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8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

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10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 4: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Agradecemos a FONDECYT por el apoyo econoacutemico brindado a este estudio a traveacutes del proyecto Nordm 1070608

INDICE GENERAL

1 INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

2 OBJETIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

21 OBJETIVO GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

22 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

31 REACTIVOS Y MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

32 CARACTERIZACIOacuteN QUIacuteMICA Y MORFOLOacuteGICA DE LAS MICROCAacutePSULAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

33 EXPERIMENTOS DE ADSORCIOacuteN METALUacuteRGICA DE CU Y ZN SOBRE LAS MICROCAacutePSULAShellip10

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

41 ADSORCIOacuteN DE CU Y ZN MEDIANTE MICROENCAPSULACIOacuteN DEL EXTRACTANTE PC 88-Ahelliphelliphellip11

411 Sintesis de microcaacutepsulas con el extractante alquil fosfoacutenicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones aacutecidashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

42 ADSORCIOacuteN DE LOS METALES MEDIANTE OTROS EXTRACTANTES MICROENCAPSULADOShelliphelliphellip35

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBPhelliphelliphellip37

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336helliphelliphelliphellip 42

5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

RESUMEN

En esta Memoria de Tiacutetulo se estudioacute la recuperacioacuten de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan drenajes aacutecidos de mina y aguas residuales industriales mediante la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea radicales libres empleando en la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica una proporcioacuten de divinilbenceno-estireno previamente establecida Se inmovilizoacute en ellas distintos tipos de extractantes incluyendo los compuestos de tipo aacutecido-fosforados PC-88A y D2EHPA el compuesto quelante LIX 84-I los extractantes baacutesicos intercambiadores de aniones Aliquat 336 Alamine 336 y TOA y los compuestos neutros solvatantes TOPO y TBP El estudio se dividioacute en dos partes 1) Microencapsulacioacuten del extractante PC-88A cuya siacutentesis resultoacute ser sencilla y de alta eficiencia aumentando el rendimiento a medida que se incrementa el contenido de extractante Se observoacute ademaacutes que al aumentar la velocidad de agitacioacuten en el reactor se reduciacutea el tamantildeo de las microesferas obtenidas La determinacioacuten del extractante encapsulado fue efectuada por titulacioacuten potenciomeacutetrica y la caracterizacioacuten fiacutesica de las microesferas se realizoacute entre otras metodologiacuteas mediante microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) Resultados de pruebas de adsorcioacuten metaluacutergica en soluciones aacutecidas indicaron una mejor extraccioacuten de cinc respecto a cobre tanto en sus aspectos de equilibrio como cineacuteticos Se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de Cu y Zn con estas microcaacutepsulas se rige por un modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden 2) Microencapsulacioacuten de otros extractantes la produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para el extractantes aacutecido D2EHPA los de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat 336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I Se observoacute una muy buena adsorcioacuten de Zn con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA en cambio la de ambos metales con los compuestos solvatantes TOPO y TBP resultoacute ser de baja eficiencia Tambieacuten se obtuvo una alta extraccioacuten de Zn(II) con Aliquat 336 desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al predominar en ella las especies anioacutenicas extraiacutebles ZnCl4

2- Como conclusioacuten global se puede indicar que la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria atractiva y de gran potencial en hidrometalurgia

STUDY OF REMOVAL AND RECOVERY OF COPPER AND ZINC FROM ACID AQUEOUS SOLUTIONS BY USING MICROENCAPSULATION OF NON-SPECIFIC EXTRACTANTS BY IN SITU RADICAL POLYMERIZATION

It is studied the recovery of copper and zinc from acid aqueous solutions that simulate acidic mine drainage and industrial residual waters by a non-specific extractants microencapsulation method The microcapsules (MCs) were prepared by in situ free-radical polymerization The polymeric matrix was conformed by a divinylbenzene-styrene structure selected from a former study It were immobilized in the microcapsules several types of extractants including the acid alkyl-phosphorous compounds PC-88A and D2EHPA the chelating extractant LIX 84-I the anion-exchanger basic compounds Aliquat 336 Alamine 336 and TOA and the solvating neutral compounds TOPO and TBP The study was divided in two sections 1) Microencapsulation of the extractant PC-88A whose synthesis resulted to be simple and highly efficient being observed that the yield of microcapsules increased as the content of extractant did it It was also observed that the size of MCs was reduced as the stirring speed during the synthesis was augmented The determination of the extractant retained in the MCs was carried out by a potentiometric method and the physical characterization pf the microspheres was accomplished among other methodologies by scanning electron microscopy (SEM) Metallurgical adsorption tests carried out in acid solutions indicate a better extraction of Zn(II) with respect to Cu(II) as much as in their equilibrium and kinetics aspects It was verified that the chemisorption process of both metals onto the MCs is governed by a pseudo-second-order kinetics model 2) Microencapsulation of other extractants The production of microspheres presented a high performance for the extractants D2EHPA TOPO TBP and the quaternary ammonium salt Aliquat 336 It was obtained lower yields when using the basic compounds Alamine 336 and TOA and it were not achieved microcapsules with the compound LIX 84-I It was observed a good adsorption of zinc with MCs with D2EHPA but the extraction of both metals (Cu and Zn) using TOPO and TBP was low It was also accomplished a high extraction of Zn(II) with microspheres with Aliquat 336 from an high chloride content-aqueous solution due probably to the existence in it of extractable ZnCl4

2- anionic species of this metal As a global conclusion it can be noted that this methodology of microencapsulation of extractants is highly promising and attractive presenting a huge potential in hydrometallurgy

1 INTRODUCCIOacuteN

Uacuteltimamente la preocupacioacuten medio ambiental ha tomado roles bastante importantes

en las distintas poliacuteticas implementadas a nivel nacional e internacional en particular en lo

relacionado con el manejo de residuos o desechos liacutequidos industriales en particular

aquellos originados en la actividad quiacutemica y minera Esta aacuterea de la economiacutea nacional

presenta tres grandes problemas a) la acumulacioacuten de soacutelidos sedimentables en los cuerpos

de agua receptores b) la generacioacuten de drenajes aacutecidos de mina generados en forma natural

alrededor de depoacutesitos de distintos sulfuros de metales y la accioacuten de ciertas bacterias que

transforman estos sulfuros en aacutecido sulfuacuterico y que generar ion feacuterrico agente altamente

oxidante y c) la presencia de una gran variedad de metales pesados en las aguas de descarte

de sus procesos denominadas comuacutenmente como RILes De hecho es de gran necesidad

desarrollar sistemas que permitan por un lado recuperar estos metales pesados cuando

presentan un valor econoacutemico o bien removerlos cuando se constituyen en especies toacutexicas

y peligrosas

Estas soluciones de descarte se obtienen a partir de los distintos procesos

desarrollados en la industria quiacutemica y minera como son las etapas de lixiviacioacuten quiacutemica

en procesos de obtencioacuten de metales como cobre y cinc en procesos de flotacioacuten

extraccioacuten por solventes entre otros Lo anterior presenta una importancia mucho mayor si

se observa el gran desarrollo industrial y minero que ha alcanzado nuestro paiacutes en las

uacuteltimas deacutecadas dada la gran cantidad de yacimientos de distintos tipos de metales que hoy

son explotados los cuales constituyen importantes fuentes de crecimiento y con ello

adicionalmente de contaminacioacuten 1-4)

Entre los meacutetodos maacutes utilizados para remover o recuperar estos metales desde este

tipo de soluciones desde hace ya bastante tiempo es posible mencionar la extraccioacuten por

solventes (SX) 5-7) el uso de resinas de intercambio ioacutenico (IX) 89) y de membranas liquidas

emulsificadas (MLE) 10-12) Alternativamente a estos meacutetodos a partir de fines de la deacutecada

de los noventa se ha venido desarrollando la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de

extractantes no-especiacuteficos una teacutecnica que presenta varias ventajas comparativas en

relacioacuten a las tecnologiacuteas anteriormente mencionadas dentro de las cuales se pueden

mencionar la de presentar estas microesferas una alta aacuterea interfacial una alta selectividad

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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INDICE GENERAL

1 INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

2 OBJETIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

21 OBJETIVO GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

22 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

31 REACTIVOS Y MATERIALEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

32 CARACTERIZACIOacuteN QUIacuteMICA Y MORFOLOacuteGICA DE LAS MICROCAacutePSULAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

33 EXPERIMENTOS DE ADSORCIOacuteN METALUacuteRGICA DE CU Y ZN SOBRE LAS MICROCAacutePSULAShellip10

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

41 ADSORCIOacuteN DE CU Y ZN MEDIANTE MICROENCAPSULACIOacuteN DEL EXTRACTANTE PC 88-Ahelliphelliphellip11

411 Sintesis de microcaacutepsulas con el extractante alquil fosfoacutenicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones aacutecidashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

42 ADSORCIOacuteN DE LOS METALES MEDIANTE OTROS EXTRACTANTES MICROENCAPSULADOShelliphelliphellip35

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBPhelliphelliphellip37

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336helliphelliphelliphellip 42

5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

RESUMEN

En esta Memoria de Tiacutetulo se estudioacute la recuperacioacuten de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan drenajes aacutecidos de mina y aguas residuales industriales mediante la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea radicales libres empleando en la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica una proporcioacuten de divinilbenceno-estireno previamente establecida Se inmovilizoacute en ellas distintos tipos de extractantes incluyendo los compuestos de tipo aacutecido-fosforados PC-88A y D2EHPA el compuesto quelante LIX 84-I los extractantes baacutesicos intercambiadores de aniones Aliquat 336 Alamine 336 y TOA y los compuestos neutros solvatantes TOPO y TBP El estudio se dividioacute en dos partes 1) Microencapsulacioacuten del extractante PC-88A cuya siacutentesis resultoacute ser sencilla y de alta eficiencia aumentando el rendimiento a medida que se incrementa el contenido de extractante Se observoacute ademaacutes que al aumentar la velocidad de agitacioacuten en el reactor se reduciacutea el tamantildeo de las microesferas obtenidas La determinacioacuten del extractante encapsulado fue efectuada por titulacioacuten potenciomeacutetrica y la caracterizacioacuten fiacutesica de las microesferas se realizoacute entre otras metodologiacuteas mediante microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) Resultados de pruebas de adsorcioacuten metaluacutergica en soluciones aacutecidas indicaron una mejor extraccioacuten de cinc respecto a cobre tanto en sus aspectos de equilibrio como cineacuteticos Se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de Cu y Zn con estas microcaacutepsulas se rige por un modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden 2) Microencapsulacioacuten de otros extractantes la produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para el extractantes aacutecido D2EHPA los de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat 336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I Se observoacute una muy buena adsorcioacuten de Zn con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA en cambio la de ambos metales con los compuestos solvatantes TOPO y TBP resultoacute ser de baja eficiencia Tambieacuten se obtuvo una alta extraccioacuten de Zn(II) con Aliquat 336 desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al predominar en ella las especies anioacutenicas extraiacutebles ZnCl4

2- Como conclusioacuten global se puede indicar que la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria atractiva y de gran potencial en hidrometalurgia

STUDY OF REMOVAL AND RECOVERY OF COPPER AND ZINC FROM ACID AQUEOUS SOLUTIONS BY USING MICROENCAPSULATION OF NON-SPECIFIC EXTRACTANTS BY IN SITU RADICAL POLYMERIZATION

It is studied the recovery of copper and zinc from acid aqueous solutions that simulate acidic mine drainage and industrial residual waters by a non-specific extractants microencapsulation method The microcapsules (MCs) were prepared by in situ free-radical polymerization The polymeric matrix was conformed by a divinylbenzene-styrene structure selected from a former study It were immobilized in the microcapsules several types of extractants including the acid alkyl-phosphorous compounds PC-88A and D2EHPA the chelating extractant LIX 84-I the anion-exchanger basic compounds Aliquat 336 Alamine 336 and TOA and the solvating neutral compounds TOPO and TBP The study was divided in two sections 1) Microencapsulation of the extractant PC-88A whose synthesis resulted to be simple and highly efficient being observed that the yield of microcapsules increased as the content of extractant did it It was also observed that the size of MCs was reduced as the stirring speed during the synthesis was augmented The determination of the extractant retained in the MCs was carried out by a potentiometric method and the physical characterization pf the microspheres was accomplished among other methodologies by scanning electron microscopy (SEM) Metallurgical adsorption tests carried out in acid solutions indicate a better extraction of Zn(II) with respect to Cu(II) as much as in their equilibrium and kinetics aspects It was verified that the chemisorption process of both metals onto the MCs is governed by a pseudo-second-order kinetics model 2) Microencapsulation of other extractants The production of microspheres presented a high performance for the extractants D2EHPA TOPO TBP and the quaternary ammonium salt Aliquat 336 It was obtained lower yields when using the basic compounds Alamine 336 and TOA and it were not achieved microcapsules with the compound LIX 84-I It was observed a good adsorption of zinc with MCs with D2EHPA but the extraction of both metals (Cu and Zn) using TOPO and TBP was low It was also accomplished a high extraction of Zn(II) with microspheres with Aliquat 336 from an high chloride content-aqueous solution due probably to the existence in it of extractable ZnCl4

2- anionic species of this metal As a global conclusion it can be noted that this methodology of microencapsulation of extractants is highly promising and attractive presenting a huge potential in hydrometallurgy

1 INTRODUCCIOacuteN

Uacuteltimamente la preocupacioacuten medio ambiental ha tomado roles bastante importantes

en las distintas poliacuteticas implementadas a nivel nacional e internacional en particular en lo

relacionado con el manejo de residuos o desechos liacutequidos industriales en particular

aquellos originados en la actividad quiacutemica y minera Esta aacuterea de la economiacutea nacional

presenta tres grandes problemas a) la acumulacioacuten de soacutelidos sedimentables en los cuerpos

de agua receptores b) la generacioacuten de drenajes aacutecidos de mina generados en forma natural

alrededor de depoacutesitos de distintos sulfuros de metales y la accioacuten de ciertas bacterias que

transforman estos sulfuros en aacutecido sulfuacuterico y que generar ion feacuterrico agente altamente

oxidante y c) la presencia de una gran variedad de metales pesados en las aguas de descarte

de sus procesos denominadas comuacutenmente como RILes De hecho es de gran necesidad

desarrollar sistemas que permitan por un lado recuperar estos metales pesados cuando

presentan un valor econoacutemico o bien removerlos cuando se constituyen en especies toacutexicas

y peligrosas

Estas soluciones de descarte se obtienen a partir de los distintos procesos

desarrollados en la industria quiacutemica y minera como son las etapas de lixiviacioacuten quiacutemica

en procesos de obtencioacuten de metales como cobre y cinc en procesos de flotacioacuten

extraccioacuten por solventes entre otros Lo anterior presenta una importancia mucho mayor si

se observa el gran desarrollo industrial y minero que ha alcanzado nuestro paiacutes en las

uacuteltimas deacutecadas dada la gran cantidad de yacimientos de distintos tipos de metales que hoy

son explotados los cuales constituyen importantes fuentes de crecimiento y con ello

adicionalmente de contaminacioacuten 1-4)

Entre los meacutetodos maacutes utilizados para remover o recuperar estos metales desde este

tipo de soluciones desde hace ya bastante tiempo es posible mencionar la extraccioacuten por

solventes (SX) 5-7) el uso de resinas de intercambio ioacutenico (IX) 89) y de membranas liquidas

emulsificadas (MLE) 10-12) Alternativamente a estos meacutetodos a partir de fines de la deacutecada

de los noventa se ha venido desarrollando la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de

extractantes no-especiacuteficos una teacutecnica que presenta varias ventajas comparativas en

relacioacuten a las tecnologiacuteas anteriormente mencionadas dentro de las cuales se pueden

mencionar la de presentar estas microesferas una alta aacuterea interfacial una alta selectividad

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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RESUMEN

En esta Memoria de Tiacutetulo se estudioacute la recuperacioacuten de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan drenajes aacutecidos de mina y aguas residuales industriales mediante la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea radicales libres empleando en la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica una proporcioacuten de divinilbenceno-estireno previamente establecida Se inmovilizoacute en ellas distintos tipos de extractantes incluyendo los compuestos de tipo aacutecido-fosforados PC-88A y D2EHPA el compuesto quelante LIX 84-I los extractantes baacutesicos intercambiadores de aniones Aliquat 336 Alamine 336 y TOA y los compuestos neutros solvatantes TOPO y TBP El estudio se dividioacute en dos partes 1) Microencapsulacioacuten del extractante PC-88A cuya siacutentesis resultoacute ser sencilla y de alta eficiencia aumentando el rendimiento a medida que se incrementa el contenido de extractante Se observoacute ademaacutes que al aumentar la velocidad de agitacioacuten en el reactor se reduciacutea el tamantildeo de las microesferas obtenidas La determinacioacuten del extractante encapsulado fue efectuada por titulacioacuten potenciomeacutetrica y la caracterizacioacuten fiacutesica de las microesferas se realizoacute entre otras metodologiacuteas mediante microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) Resultados de pruebas de adsorcioacuten metaluacutergica en soluciones aacutecidas indicaron una mejor extraccioacuten de cinc respecto a cobre tanto en sus aspectos de equilibrio como cineacuteticos Se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de Cu y Zn con estas microcaacutepsulas se rige por un modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden 2) Microencapsulacioacuten de otros extractantes la produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para el extractantes aacutecido D2EHPA los de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat 336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I Se observoacute una muy buena adsorcioacuten de Zn con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA en cambio la de ambos metales con los compuestos solvatantes TOPO y TBP resultoacute ser de baja eficiencia Tambieacuten se obtuvo una alta extraccioacuten de Zn(II) con Aliquat 336 desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al predominar en ella las especies anioacutenicas extraiacutebles ZnCl4

2- Como conclusioacuten global se puede indicar que la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria atractiva y de gran potencial en hidrometalurgia

STUDY OF REMOVAL AND RECOVERY OF COPPER AND ZINC FROM ACID AQUEOUS SOLUTIONS BY USING MICROENCAPSULATION OF NON-SPECIFIC EXTRACTANTS BY IN SITU RADICAL POLYMERIZATION

It is studied the recovery of copper and zinc from acid aqueous solutions that simulate acidic mine drainage and industrial residual waters by a non-specific extractants microencapsulation method The microcapsules (MCs) were prepared by in situ free-radical polymerization The polymeric matrix was conformed by a divinylbenzene-styrene structure selected from a former study It were immobilized in the microcapsules several types of extractants including the acid alkyl-phosphorous compounds PC-88A and D2EHPA the chelating extractant LIX 84-I the anion-exchanger basic compounds Aliquat 336 Alamine 336 and TOA and the solvating neutral compounds TOPO and TBP The study was divided in two sections 1) Microencapsulation of the extractant PC-88A whose synthesis resulted to be simple and highly efficient being observed that the yield of microcapsules increased as the content of extractant did it It was also observed that the size of MCs was reduced as the stirring speed during the synthesis was augmented The determination of the extractant retained in the MCs was carried out by a potentiometric method and the physical characterization pf the microspheres was accomplished among other methodologies by scanning electron microscopy (SEM) Metallurgical adsorption tests carried out in acid solutions indicate a better extraction of Zn(II) with respect to Cu(II) as much as in their equilibrium and kinetics aspects It was verified that the chemisorption process of both metals onto the MCs is governed by a pseudo-second-order kinetics model 2) Microencapsulation of other extractants The production of microspheres presented a high performance for the extractants D2EHPA TOPO TBP and the quaternary ammonium salt Aliquat 336 It was obtained lower yields when using the basic compounds Alamine 336 and TOA and it were not achieved microcapsules with the compound LIX 84-I It was observed a good adsorption of zinc with MCs with D2EHPA but the extraction of both metals (Cu and Zn) using TOPO and TBP was low It was also accomplished a high extraction of Zn(II) with microspheres with Aliquat 336 from an high chloride content-aqueous solution due probably to the existence in it of extractable ZnCl4

2- anionic species of this metal As a global conclusion it can be noted that this methodology of microencapsulation of extractants is highly promising and attractive presenting a huge potential in hydrometallurgy

1 INTRODUCCIOacuteN

Uacuteltimamente la preocupacioacuten medio ambiental ha tomado roles bastante importantes

en las distintas poliacuteticas implementadas a nivel nacional e internacional en particular en lo

relacionado con el manejo de residuos o desechos liacutequidos industriales en particular

aquellos originados en la actividad quiacutemica y minera Esta aacuterea de la economiacutea nacional

presenta tres grandes problemas a) la acumulacioacuten de soacutelidos sedimentables en los cuerpos

de agua receptores b) la generacioacuten de drenajes aacutecidos de mina generados en forma natural

alrededor de depoacutesitos de distintos sulfuros de metales y la accioacuten de ciertas bacterias que

transforman estos sulfuros en aacutecido sulfuacuterico y que generar ion feacuterrico agente altamente

oxidante y c) la presencia de una gran variedad de metales pesados en las aguas de descarte

de sus procesos denominadas comuacutenmente como RILes De hecho es de gran necesidad

desarrollar sistemas que permitan por un lado recuperar estos metales pesados cuando

presentan un valor econoacutemico o bien removerlos cuando se constituyen en especies toacutexicas

y peligrosas

Estas soluciones de descarte se obtienen a partir de los distintos procesos

desarrollados en la industria quiacutemica y minera como son las etapas de lixiviacioacuten quiacutemica

en procesos de obtencioacuten de metales como cobre y cinc en procesos de flotacioacuten

extraccioacuten por solventes entre otros Lo anterior presenta una importancia mucho mayor si

se observa el gran desarrollo industrial y minero que ha alcanzado nuestro paiacutes en las

uacuteltimas deacutecadas dada la gran cantidad de yacimientos de distintos tipos de metales que hoy

son explotados los cuales constituyen importantes fuentes de crecimiento y con ello

adicionalmente de contaminacioacuten 1-4)

Entre los meacutetodos maacutes utilizados para remover o recuperar estos metales desde este

tipo de soluciones desde hace ya bastante tiempo es posible mencionar la extraccioacuten por

solventes (SX) 5-7) el uso de resinas de intercambio ioacutenico (IX) 89) y de membranas liquidas

emulsificadas (MLE) 10-12) Alternativamente a estos meacutetodos a partir de fines de la deacutecada

de los noventa se ha venido desarrollando la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de

extractantes no-especiacuteficos una teacutecnica que presenta varias ventajas comparativas en

relacioacuten a las tecnologiacuteas anteriormente mencionadas dentro de las cuales se pueden

mencionar la de presentar estas microesferas una alta aacuterea interfacial una alta selectividad

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

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11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

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15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

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Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

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Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

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18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

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Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

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20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

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21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

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University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

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23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

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25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

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26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

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27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

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28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

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microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

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31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

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185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

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1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

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Page 7: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

STUDY OF REMOVAL AND RECOVERY OF COPPER AND ZINC FROM ACID AQUEOUS SOLUTIONS BY USING MICROENCAPSULATION OF NON-SPECIFIC EXTRACTANTS BY IN SITU RADICAL POLYMERIZATION

It is studied the recovery of copper and zinc from acid aqueous solutions that simulate acidic mine drainage and industrial residual waters by a non-specific extractants microencapsulation method The microcapsules (MCs) were prepared by in situ free-radical polymerization The polymeric matrix was conformed by a divinylbenzene-styrene structure selected from a former study It were immobilized in the microcapsules several types of extractants including the acid alkyl-phosphorous compounds PC-88A and D2EHPA the chelating extractant LIX 84-I the anion-exchanger basic compounds Aliquat 336 Alamine 336 and TOA and the solvating neutral compounds TOPO and TBP The study was divided in two sections 1) Microencapsulation of the extractant PC-88A whose synthesis resulted to be simple and highly efficient being observed that the yield of microcapsules increased as the content of extractant did it It was also observed that the size of MCs was reduced as the stirring speed during the synthesis was augmented The determination of the extractant retained in the MCs was carried out by a potentiometric method and the physical characterization pf the microspheres was accomplished among other methodologies by scanning electron microscopy (SEM) Metallurgical adsorption tests carried out in acid solutions indicate a better extraction of Zn(II) with respect to Cu(II) as much as in their equilibrium and kinetics aspects It was verified that the chemisorption process of both metals onto the MCs is governed by a pseudo-second-order kinetics model 2) Microencapsulation of other extractants The production of microspheres presented a high performance for the extractants D2EHPA TOPO TBP and the quaternary ammonium salt Aliquat 336 It was obtained lower yields when using the basic compounds Alamine 336 and TOA and it were not achieved microcapsules with the compound LIX 84-I It was observed a good adsorption of zinc with MCs with D2EHPA but the extraction of both metals (Cu and Zn) using TOPO and TBP was low It was also accomplished a high extraction of Zn(II) with microspheres with Aliquat 336 from an high chloride content-aqueous solution due probably to the existence in it of extractable ZnCl4

2- anionic species of this metal As a global conclusion it can be noted that this methodology of microencapsulation of extractants is highly promising and attractive presenting a huge potential in hydrometallurgy

1 INTRODUCCIOacuteN

Uacuteltimamente la preocupacioacuten medio ambiental ha tomado roles bastante importantes

en las distintas poliacuteticas implementadas a nivel nacional e internacional en particular en lo

relacionado con el manejo de residuos o desechos liacutequidos industriales en particular

aquellos originados en la actividad quiacutemica y minera Esta aacuterea de la economiacutea nacional

presenta tres grandes problemas a) la acumulacioacuten de soacutelidos sedimentables en los cuerpos

de agua receptores b) la generacioacuten de drenajes aacutecidos de mina generados en forma natural

alrededor de depoacutesitos de distintos sulfuros de metales y la accioacuten de ciertas bacterias que

transforman estos sulfuros en aacutecido sulfuacuterico y que generar ion feacuterrico agente altamente

oxidante y c) la presencia de una gran variedad de metales pesados en las aguas de descarte

de sus procesos denominadas comuacutenmente como RILes De hecho es de gran necesidad

desarrollar sistemas que permitan por un lado recuperar estos metales pesados cuando

presentan un valor econoacutemico o bien removerlos cuando se constituyen en especies toacutexicas

y peligrosas

Estas soluciones de descarte se obtienen a partir de los distintos procesos

desarrollados en la industria quiacutemica y minera como son las etapas de lixiviacioacuten quiacutemica

en procesos de obtencioacuten de metales como cobre y cinc en procesos de flotacioacuten

extraccioacuten por solventes entre otros Lo anterior presenta una importancia mucho mayor si

se observa el gran desarrollo industrial y minero que ha alcanzado nuestro paiacutes en las

uacuteltimas deacutecadas dada la gran cantidad de yacimientos de distintos tipos de metales que hoy

son explotados los cuales constituyen importantes fuentes de crecimiento y con ello

adicionalmente de contaminacioacuten 1-4)

Entre los meacutetodos maacutes utilizados para remover o recuperar estos metales desde este

tipo de soluciones desde hace ya bastante tiempo es posible mencionar la extraccioacuten por

solventes (SX) 5-7) el uso de resinas de intercambio ioacutenico (IX) 89) y de membranas liquidas

emulsificadas (MLE) 10-12) Alternativamente a estos meacutetodos a partir de fines de la deacutecada

de los noventa se ha venido desarrollando la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de

extractantes no-especiacuteficos una teacutecnica que presenta varias ventajas comparativas en

relacioacuten a las tecnologiacuteas anteriormente mencionadas dentro de las cuales se pueden

mencionar la de presentar estas microesferas una alta aacuterea interfacial una alta selectividad

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 8: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

1 INTRODUCCIOacuteN

Uacuteltimamente la preocupacioacuten medio ambiental ha tomado roles bastante importantes

en las distintas poliacuteticas implementadas a nivel nacional e internacional en particular en lo

relacionado con el manejo de residuos o desechos liacutequidos industriales en particular

aquellos originados en la actividad quiacutemica y minera Esta aacuterea de la economiacutea nacional

presenta tres grandes problemas a) la acumulacioacuten de soacutelidos sedimentables en los cuerpos

de agua receptores b) la generacioacuten de drenajes aacutecidos de mina generados en forma natural

alrededor de depoacutesitos de distintos sulfuros de metales y la accioacuten de ciertas bacterias que

transforman estos sulfuros en aacutecido sulfuacuterico y que generar ion feacuterrico agente altamente

oxidante y c) la presencia de una gran variedad de metales pesados en las aguas de descarte

de sus procesos denominadas comuacutenmente como RILes De hecho es de gran necesidad

desarrollar sistemas que permitan por un lado recuperar estos metales pesados cuando

presentan un valor econoacutemico o bien removerlos cuando se constituyen en especies toacutexicas

y peligrosas

Estas soluciones de descarte se obtienen a partir de los distintos procesos

desarrollados en la industria quiacutemica y minera como son las etapas de lixiviacioacuten quiacutemica

en procesos de obtencioacuten de metales como cobre y cinc en procesos de flotacioacuten

extraccioacuten por solventes entre otros Lo anterior presenta una importancia mucho mayor si

se observa el gran desarrollo industrial y minero que ha alcanzado nuestro paiacutes en las

uacuteltimas deacutecadas dada la gran cantidad de yacimientos de distintos tipos de metales que hoy

son explotados los cuales constituyen importantes fuentes de crecimiento y con ello

adicionalmente de contaminacioacuten 1-4)

Entre los meacutetodos maacutes utilizados para remover o recuperar estos metales desde este

tipo de soluciones desde hace ya bastante tiempo es posible mencionar la extraccioacuten por

solventes (SX) 5-7) el uso de resinas de intercambio ioacutenico (IX) 89) y de membranas liquidas

emulsificadas (MLE) 10-12) Alternativamente a estos meacutetodos a partir de fines de la deacutecada

de los noventa se ha venido desarrollando la metodologiacutea de microencapsulacioacuten de

extractantes no-especiacuteficos una teacutecnica que presenta varias ventajas comparativas en

relacioacuten a las tecnologiacuteas anteriormente mencionadas dentro de las cuales se pueden

mencionar la de presentar estas microesferas una alta aacuterea interfacial una alta selectividad

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 9: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

otorgada por los extractantes encapsulados un uso miacutenimo de solventes orgaacutenicos

normalmente caros y toacutexicos y presentar una faacutecil separacioacuten desde las soluciones con las

cuales se contactan para extraer los iones metaacutelicos entre otras Las microcaacutepsulas (MC)

son matrices polimeacutericas de alta porosidad que contienen en su interior un extractante que

actuacutean como un adsorbente granular el cual puede ser de distintos tipos y por tanto

presenta la posibilidad de extraer metales en las distintas formas en que puede encontrarse

en un residuo industrial 13-16)

Las MCs se sintetizan mediante polimerizacioacuten en suspensioacuten viacutea radicales libres de

uno o maacutes monoacutemeros viniacutelicos a una temperatura adecuada en el caso particular de las

empleadas en esta memoria corresponden a estireno y divinilbenceno utilizando peroacutexido

de benzoiacutelo como iniciador de polimerizacioacuten El o los monoacutemeros se disuelven junto con

el extractante en un solvente orgaacutenico lo que constituye la fase dispersa y se contacta

mediante agitacioacuten mecaacutenica con la fase continua1718) De esta forma se obtienen

microesferas que contienen en su interior el extractante a utilizar cuyo tamantildeo depende

entre otros factores de la velocidad de agitacioacuten con que se realiza la siacutentesis de ellas

Dentro de los componentes que influyen directamente en la formacioacuten de las MCs

que se sintetizaron en este estudio se encuentra el monoacutemero entrecruzante divinilbenceno

el cual permite introducir un determinado grado de reticulacioacuten dependiendo de la

concentracioacuten inicial de eacuteste produciendo poliacutemeros con estructura de una red

tridimensional porosa cuya naturaleza entrega la posibilidad de obtener microesferas con

una mejor capacidad para la difusioacuten de las especies participantes a traveacutes de ella

Asimismo el uso de monoacutemeros con mayor caraacutecter hidrofiacutelico como el estireno permite

cierto grado de hinchamiento de las MC y su mojabilidad lo que involucra la facilitacioacuten

en la adsorcioacuten de los iones metaacutelicos desde soluciones acuosas

El extractante debe ser un compuesto quiacutemico similar a los usados como reactivos

SX escogidos en forma selectiva o colectiva para uno o maacutes metales de acuerdo a las

isotermas de extraccioacuten 1920) Es por esto que las MCs se deben poner en contacto con la

solucioacuten que contiene el metal de intereacutes con el fin de microencapsular el metal o los

metales deseados y asiacute separarlo de la solucioacuten inicial Se deben tomar en cuenta los

mecanismos de adsorcioacuten del metal en la MC ademaacutes de efectos difusivos del metal en la

peliacutecula acuosa en la capa liacutemite con la pared de la MC y la difusioacuten intraparticular del

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 10: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

complejo formado en la superficie de la MC en el interior de ella Tambieacuten se debe

considerar en el mecanismo global de adsorcioacuten de metales en las MCs la reaccioacuten quiacutemica

de formacioacuten del complejo en la interfase liacutequidosuperficie de la MC pudiendo afectar y

llegar a constituirse cualquiera de ellas en la etapa determinante desde el punto de vista

cineacutetico del proceso global Los extractantes se unen al metal mediante formacioacuten de

compuestos de coordinacioacuten formacioacuten de sales o bien formando pares ioacutenicos

extrayeacutendolos asiacute de la solucioacuten diluida que los contiene La etapa final consiste en la

retroextraccioacuten del metal de la microcaacutepsula mediante desorcioacuten de las MC por contacto

de ellas con una solucioacuten de retroextraccioacuten la cual constituye la fase acuosa aceptora de

los metales en la cual se van concentrando A su vez en esta etapa se libera la microcaacutepsula

del o de los metales dejando asiacute la MC preparada para un nuevo ciclo de extraccioacuten 2122)

En la Figura 1 se puede observar el esquema del proceso propuesto de extraccioacuten de

un metal que estaacute formando en este caso a manera de ejemplo una especie catioacutenica con

un extractante aacutecido donde se plantea un ldquofenoacutemeno de transporte de masa con reaccioacuten

quiacutemicardquo el cual consta de 5 etapas de las cuales las primeras tres seraacuten abordadas en esta

memoria como parte de la primera fase del proyecto

1 Difusioacuten de los iones metaacutelicos desde la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten hacia la

superficie externa de las MCs debido a un gradiente de concentracioacuten

2 Formacioacuten del complejo metal-extractante por reaccioacuten del metal en la superficie de la

MC con la moleacutecula extractante retenida en la MC en una etapa de adsorcioacuten con

reaccioacuten quiacutemica

3 Difusioacuten del complejo metal-extractante hacia el interior de la MC

4 Ruptura del complejo metal-extractante en la estructura porosa de la MC por contacto

con la solucioacuten de retroextraccioacuten en una etapa de desorcioacuten con reaccioacuten quiacutemica

5 Difusioacuten del metal liberado hacia el seno de la fase acuosa de retroextraccioacuten o

stripping en la MC debido a un gradiente de concentracioacuten

En el caso de la eleccioacuten del extractante a encapsular la decisioacuten depende del tipo de

especie que el ion metaacutelico esteacute formando en solucioacuten acuosa y de la funcionalidad del

extractante de este modo

a) Si el metal estaacute formando especies catioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger para su

encapsulacioacuten un extractante aacutecido con el cual sufriraacute reacciones de intercambio catioacutenico

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 11: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

b) Si estaacute formando especies anioacutenicas en solucioacuten se deberaacute escoger un extractante

baacutesico con el cual sufriraacute reacciones de intercambio anioacutenico por formacioacuten de pares

ioacutenicos

c) Si el metal estaacute formando especies neutras en solucioacuten la moleacutecula extractante a

escoger deberaacute actuar mediante solvatacioacuten extrayendo simultaacuteneamente catioacuten y anioacuten

Esta Memoria es parte del primer antildeo de desarrollo del Proyecto FONDECYT Nordm

1060708 en el cual se plantea como objetivo general disentildear e implementar un proceso

continuo a escalas de laboratorio y semipiloto que permita tratar soluciones acuosas

diluidas residuales de las actividades industriales y mineras del paiacutes de forma de poder

recuperar o remover en forma eficiente sus contenidos de metales pesados mediante un

sistema de extraccioacuten y adsorcioacuten basado en la novedosa tecnologiacutea de microencapsulacioacuten

de extractantes Como parte de esta primera etapa del proyecto se realizaron pruebas de

siacutentesis de MCs con distintos extractantes a fin de obtener una variada gama de

posibilidades con las cuales poder extraer metales de intereacutes desde soluciones de descarte

ademaacutes de realizar pruebas hidrometaluacutergicas utilizando soluciones sinteacuteticas de cobre y

cinc que simulan soluciones reales

Figura 1 Adsorcioacuten y Desorcioacuten de un ion metaacutelico M2+ con un extractante aacutecido HR en una columna que opera por Microencapsulacioacuten de Extractantes

M+2

H+ HR

MR2 M+2 MR2

H+ HR

M+2

H+ H+

M+2

Adsorcioacuten Desorcioacuten

Poro

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 12: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

2 OBJETIVOS

21 Objetivo General

Estudiar el tratamiento de una solucioacuten acuosa aacutecida que simula una solucioacuten residual

de una planta de lixiviacioacuten de minerales de cobre mediante un sistema de extraccioacuten y

adsorcioacuten de los iones metaacutelicos Cu(II) y Zn(II) que contiene basado en la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos

22Objetivos Especiacuteficos

1 Preparar MCs mediante el meacutetodo quiacutemico usando los monoacutemeros estireno yo

divinilbenceno buscando encapsular distintas moleacuteculas extractantes de los tipos

aacutecidos baacutesicos y neutros

2 Caracterizar fiacutesica y morfoloacutegicamente las MCs obtenidas

3 Determinar la cantidad de extractante adsorbido en las MCs

4 Realizar pruebas preliminares de adsorcioacuten metaluacutergica en las MCs empleando

soluciones sinteacuteticas de laboratorio que simulan las soluciones reales a tratar

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

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stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 13: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31 Reactivos y Materiales

Durante este estudio se proboacute microencapsular diferentes extractantes Dos de ellos

(PC-88A y D2EHPA) corresponden a compuestos aacutecidos del tipo alquilfosfoacutericos y LIX

84-I a un extractante aacutecido del tipo oxiacutemico Se empleoacute tambieacuten el compuesto Aliquat 336

el cual corresponde a una sal de amonio cuaternario y las aminas de alto peso molecular tri-

octilamina (TOA) y Alamine 336 Finalmente se realizaron pruebas de microencapsulacioacuten

de los compuestos solvatantes TOPO y TBP A continuacioacuten se indican los nombres y

estructuras de cada uno de ellos

a) Extractantes utilizados

bull PC-88A

Nomenclatura quiacutemica mono-2-etilhexil eacutester

del aacutecido 2-etilhexil fosfoacutenico

Formula empiacuterica C16H35O3P

Peso molecular 3064 gmol

H5C2

O P

H9C4

OH9C4

C2H5

OH

Figura 2 Estructura del extractante PC-88A

bull D2EHPA

Nomenclatura quiacutemica aacutecido di-(2-etilhexil)-

fosfoacuterico

Formula empiacuterica C16H35O4P

Peso molecular 3224 gmol

H 5C 2

O POH 9C 4

O HO

C 4 H 9

H 5 C 2

Figura 3 Estructura del extractante D2EHPA

bull Aliquat 336

Nomenclatura quiacutemica cloruros de tri-

octildecil-metil amonio

Peso molecular promedio 4355 gmol

Figura 4 Estructura del extractante ALIQUAT

336

bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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bull TOPO

Nomenclatura quiacutemica oacutexido de trioctil

fosfina

Formula empiacuterica C24H51OP

Peso molecular 3864 gmol

H15C7

PC7H15H15C7

O

Figura 5 Estructura del extractante TOPO

bull TBP

Nomenclatura quiacutemica fosfato de tributilo

Formula empiacuterica C12H27O4P

Peso molecular 2664 gmol

H9C4 OP O

C4H9O

C4H9

O

Figura 6 Estructura del extractante TBP

bull LIX 84-I

Nomenclatura quiacutemica2-hidroxi-5-

nonilacetofenona oxima

Formula empiacuterica C17H27O2N

Peso molecular 227 gmol

Figura 7 Estructura del extractante LIX 84-I

bull TOA

Nomenclatura quiacutemica trioctilamina

Formula empiacuterica C24H51N

Peso molecular 353 gmol

H15C7

N C7H15

H15C7 Figura 8 Estructura del extractante TOA

bull Alamine 336

Nomenclatura quiacutemica trioctildecilamina

Peso molecular promedio 392 gmol

H15C7H19C9

N C9H19C7H15

H15C7H19C9 Figura 9 Estructura del extractante Alamine

336

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 15: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

b) Reactivos orgaacutenicos de siacutentesis de MCs

Como monoacutemeros para la conformacioacuten de la matriz polimeacuterica se emplearon los

compuestos estireno (St) y divinilbenceno (DVB) ambos compuestos de grado reactivo Se

utilizoacute como iniciador de la reaccioacuten de polimerizacioacuten el compuesto peroacutexido de benzoiacutelo

empleando ademaacutes tolueno como diluyente de la mezcla En la Figura 10 se presentan las

respectivas estructuras quiacutemicas

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O

1) 2) 3)

Figura 10 Estructura de los compuestos 1) Estireno 2) Divinilbenceno y 3) Peroacutexido de benzoiacutelo

c) Soluciones acuosas contenedoras de los iones metaacutelicos a extraer

- Solucioacuten de cobre Fue preparada con CuSO45H2O que presenta un peso molecular de

24968 gmol y con CuCl22H2O cuyo peso molecular es de 17048 gmol Su pH fue

ajustado a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Solucioacuten de cinc Fue preparada con ZnSO47H2O que presenta un peso molecular

28755 gmol y con ZnCl2 cuyo peso molecular es de 13628 gmol Su pH fue ajustado

a 4 con aacutecido sulfuacuterico o aacutecido clorhiacutedrico dependiendo de la sal utilizada

- Soluciones de patrones estaacutendares Tambieacuten se empleoacute durante los experimentos

diferentes reactivos estaacutendares entre ellos los utilizados en la metodologiacutea de anaacutelisis

de los metales Cu y Zn mediante espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica

correspondiendo a reactivos Titrisol Merck de 1000 mg de cada metal Tambieacuten se

utilizaron patrones de pH Merck para la determinacioacuten de la acidez de las diferentes

soluciones acuosas del estudio

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

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separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

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9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

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10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

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11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

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Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

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In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

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25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

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26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

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27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

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microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

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31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

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1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 16: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

d) Procedimiento de siacutentesis de las microcaacutepsulas de Estireno-Divinilbenceno

Las microcaacutepsulas se prepararon mediante polimerizacioacuten in situ en suspensioacuten viacutea

radicales libres en un reactor de 500 cm3 dotado de tres bocas Primeramente se disolvioacute el

reactivo dispersante goma araacutebiga en agua destilada utilizando agitacioacuten magneacutetica (500

min-1) y temperatura constituyeacutendose asiacute la fase continua Posteriormente esta fase se

purgoacute con N2 a traveacutes de una boca lateral a fin de eliminar el oxiacutegeno existente dentro del

reactor hasta alcanzar una temperatura adecuada para la siacutentesis variable entre 70 y 75ordmC

En las otras bocas se dispusieron un refrigerante a reflujo y un termoacutemetro para control de

temperatura

A continuacioacuten se agregoacute la fase orgaacutenica compuesta por los monoacutemeros en las

proporciones adecuadas y necesarias tolueno el iniciador y el extractante El sistema se

agitoacute durante 3 horas tiempo en el que la polimerizacioacuten se completa Finalmente la mezcla

se dejoacute enfriar y se separoacute por filtracioacuten al vaciacuteo Finalmente las microcaacutepsulas fueron

lavadas con agua destilada tres veces y se dejaron secar a temperatura ambiente 1718)

32 Caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las microcaacutepsulas

En primer teacutermino se procedioacute a determinar el contenido de los extractantes en las

microesferas Con dicho propoacutesito se contactaron en un matraz Erlenmeyer de 100 cm3 10

g de cada tipo de microcaacutepsulas y 50 cm3 de metanol durante 7 diacuteas Luego de este tiempo

la solucioacuten alcohoacutelica resultante contenedora de los extractantes se filtroacute y se dividioacute en

porciones de 10 cm3 cada una para proceder a continuacioacuten a determinar el contenido de

los extractantes

En particular los compuestos aacutecidos se valoraron mediante titulacioacuten

potenciomeacutetrica con una solucioacuten 005M de NaOH En el caso de la determinacioacuten del

contenido de los extractantes baacutesicos se titularon por argentometriacutea con una solucioacuten

01023M de AgNO3 empleando como indicador dicromato de sodio23)

En el caso de los extractantes solvatantes TOPO y TBP se determinoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten UV en un equipo UNICAM UV-3 24)

Por otra parte los distintos tipos de microcaacutepsulas fueron caracterizadas

morfoloacutegicamente a traveacutes de la toma de imaacutegenes mediante microscopia electroacutenica de

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 17: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

barrido (SEM) con un equipo JEOL JSM 6380LV siguiendo un procedimiento habitual el

cual incluye un recubrimiento previo con oro de las microcaacutepsulas antes de su anaacutelisis con

el fin de evitar o minimizar eventuales efectos de carga de sus superficies

Ademaacutes se analizoacute la distribucioacuten de tamantildeos de las microesferas empleando para

estos efectos un microscopio Zeiss Axiostar Plus acoplado a una caacutemara fotograacutefica digital

Nikon Coolpix 4500 y el programa computacional ImageJ Otras muestras fueron

analizadas mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000

33 Experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de Cu y Zn sobre microcaacutepsulas

Las diferentes pruebas de adsorcioacuten de cobre y cinc desde las soluciones que los

contienen sobre los diferentes tipos de microcaacutepsulas sintetizados se realizaron en un

agitador de tipo orbital Polyscience que opera en batch

En cada experimento se contactaron 02 g de microcaacutepsulas con 25 cm3 de las

respectivas soluciones acuosas de los metales en estudio a 30ordmC y durante el tiempo

necesario para alcanzar el equilibrio Posteriormente y con el propoacutesito de determinar el

contenido de los iones metaacutelicos se procedioacute a separar mediante filtracioacuten las microcaacutepsulas

cargadas con los metales de las soluciones acuosas residuales denominadas comuacutenmente

refino

La concentracioacuten de los metales en estas soluciones se efectuoacute mediante

espectrofotometriacutea de absorcioacuten atoacutemica en un equipo Perkin Elmer 3110 Por balance de

material se determinoacute tambieacuten la cantidad de metal complejado por el extractante y que

quedaba retenido en la microesfera La determinacioacuten de la acidez de las soluciones

acuosas utilizadas en este parte del estudio se realizoacute con un medidor de pH OAKTON

provisto de un electrodo de vidrio AgAgCl con control de temperatura

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 18: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Para una mejor comprensioacuten los resultados experimentales en esta memoria han

sido divididos de la siguiente forma

bull Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microcaacutepsulas que contienen PC-88A como

extractante

bull Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

41 Adsorcioacuten de Cu y Zn mediante microencapsulacioacuten del extractante PC-88A

411 Siacutentesis de microcaacutepsulas con el extractante alquilfosfoacutenico

Para sintetizar microesferas utilizando PC-88A como extractante de acuerdo a

resultados de etapas previas de este estudio se empleoacute en la conformacioacuten de la matriz

polimeacuterica una composicioacuten de monoacutemeros de 333 de estireno y 667 de

divinilbenceno variando como paraacutemetro la cantidad de extractante utilizado en la siacutentesis

De esta forma se buscaba observar el efecto que tiene el contenido de este compuesto sobre

el rendimiento de preparacioacuten de las microesferas y sobre la capacidad extractiva de ellas

El extractante alquilfosfoacutenico debe quedar retenido en el interior de las microcaacutepsulas

convirtieacutendose en el compuesto quiacutemicamente activo en el proceso de adsorcioacuten de los

metales a extraer afectando un mayor contenido de eacutel en forma positiva la posibilidad de

complejar el ion metaacutelico presente en la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

El rendimiento de siacutentesis (RS) se determino a traveacutes de la expresioacuten indicada en la

ecuacioacuten (1) donde MR corresponde a la masa resultado de la polimerizacioacuten y MI es la

suma de todos los componentes iniciales empleados en la preparacioacuten de las MCs vale

decir la suma de las masas del iniciador de los monoacutemeros y del extractante

RS = [MRMI]100 [] (1)

En la Tabla 1 se presentan las cantidades teoacutericas a utilizar en la siacutentesis de las

microesferas y por otro lado en la Tabla 2 se muestran las cantidades experimentales

realmente utilizadas y medidas tanto para la fase continua como para la fase dispersa

indicando para cada una de ellas el coacutedigo con el cual seraacuten reconocidas de aquiacute en

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 19: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

adelante En la Tabla 3 es posible observar los resultados efectivos medidos de la siacutentesis

una vez finalizada

Tabla 1 Valores teoacutericos a emplear en la siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno

250 54 10800 080 48 Variacutea 864

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 2 Valores experimentales efectivos usados en la siacutentesis de MCs variando la cantidad de PC 88-A

Agua Goma Araacutebiga

Peroxido de Benzoilo Estireno Divinilbenceno PC-88A Tolueno Coacutedigo

25025 54 10868 084 481 000 864 MC PC-0

25052 539 10869 082 484 060 864 MC PC-060

25006 539 10830 088 482 146 868 MC PC-144

25033 538 10878 084 482 240 874 MC PC-240

25035 538 10800 082 482 288 865 MC PC-288

25036 54 10837 085 486 436 872 MC PC-432

25048 539 10826 082 481 577 864 MC PC-576

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

Tabla 3 Rendimiento de produccioacuten de MCs con PC 88-A como extractante Coacutedigo Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()

MC PC-0 674 585 8680MC PC-060 735 573 7796MC PC-144 824 568 6893MC PC-240 915 768 8402MC PC-288 960 817 8510MC PC-432 1115 797 7148MC PC-576 1248 885 7091

En la Figura 11 se presentan los resultados obtenidos y relativos a la produccioacuten de

MCs en funcioacuten de la masa de extractante empleada en el estudio En la Figura 12 se

observan los porcentajes de MCs obtenidas empleando como base de caacutelculo las masas

totales de sustancias orgaacutenicas que participan en la siacutentesis y que quedan incorporadas en

las microesferas Es claro que una mayor cantidad de extractante produce una mayor

cosecha de MCs sin embargo se observoacute un mayor porcentaje de microcaacutepsulas obtenidas

cuando se utilizaron cantidades medias de extractante hecho relacionado probablemente

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 20: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

por un lado con la necesidad de disponer en el medio de reaccioacuten de un miacutenimo de

extractante que ayude a consolidar las microcaacutepsulas obtenidas evitando sin embargo con

usar un exceso de eacutel que pueda afectar la viscosidad de la fase dispersa

0 1 2 3 4 5 64

5

6

7

8

9

Mas

a M

C [g

]

Masa extractante [g]

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M

C

Masa extractante [g]

Figure 11 Produccioacuten de MCs [g]

en funcioacuten de la masa del extractante PC 88-A utilizada

Figura 12 Rendimiento de siacutentesis de MCs en funcioacuten de la masa del extractante

PC 88-A utilizada

En general el procedimiento de microencapsulacioacuten del extractante resultoacute ser muy

sencillo y de alta eficiencia hecho que corrobora los resultados alcanzados en etapas

anteriores de este estudio en el Laboratorio de Operaciones Unitarias en particular en lo

relativo a la composicioacuten empleada de monoacutemeros 333 St-667 DVB Una mayor

proporcioacuten de estireno redunda en una peacuterdida de eacutel o de poliestireno durante la reaccioacuten de

polimerizacioacuten dado que este monoacutemero y su poliacutemero son solubles en parte en el solvente

orgaacutenico necesario de emplear en el proceso Por otra parte divinilbenceno resulta ser un

gran entrecruzante asegurando la formacioacuten de una matriz polimeacuterica suficientemente

hidrofoacutebica que retiene los extractantes en su estructura

A partir de la informacioacuten recabada hasta este punto del desarrollo de esta Memoria

nos parecioacute importante estudiar la influencia de la variable relativa a la velocidad de

agitacioacuten empleada en la siacutentesis de las microcaacutepsulas Esta parte del trabajo se realizoacute con

las microcaacutepsulas obtenidas en la parte inicial de este estudio referido a la preparacioacuten y

uso de microesferas en base al extractante alquilfosfoacutenico PC-88A incluida la

determinacioacuten de la proporcioacuten maacutes adecuada de monoacutemeros y cantidad de extractante

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 21: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

En teacuterminos experimentales se procedioacute a sintetizar microcaacutepsulas de acuerdo a la

misma forma sentildealada en la seccioacuten 32 pero variando la velocidades de agitacioacuten en un

rango entre 250 y 1000 min-1 En la Tabla 4 se muestran las cantidades de cada reactivo

utilizado en la siacutentesis y en la Tabla 5 los resultados para cada una de las experiencias en

teacuterminos de rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas En dichas tablas se ha empleado

la siguiente terminologiacutea

MC-250 microcaacutepsulas sintetizadas a 250 min-1

MC-500 microcaacutepsulas sintetizadas a 500 min-1

MC-750 microcaacutepsulas sintetizadas a 750 min-1

MC-1000 microcaacutepsulas sintetizadas a 1000 min-1

Tabla 4 Reactivos utilizados para siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Fase Acuosa MC-250 MC-500 MC-750 MC-1000Agua [g] 250 250 250 250Goma[g] 541 54 54 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 481 48 479 48St[g] 08 081 08 08PC 88-A 288 289 288 289

Tabla 5 Rendimientos de siacutentesis de MCs con PC 88-A como extractante variando la velocidad de agitacioacuten

Masa[g] Rendimiento[]MC-250 889 909MC-500 801 838MC-750 672 703MC-1000 715 748

Para esta velocidad de agitacioacuten no hay produccioacuten de microcaacutepsulas sino que una aglomeracioacuten polimeacuterica Debido a esto no se utiliza para ninguna experiencia posterior

Estos resultados estaacuten indicando que al menos en el rango estudiado no existe un

efecto claro ni positivo ni negativo de aumentar la velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

sobre la produccioacuten de microcaacutepsulas sin embargo en todos los casos los valores de

rendimiento son bastante altos Es claro que esta variable presenta un efecto sobre el

tamantildeo medio de las microcaacutepsulas obtenidas lograacutendose microesferas de menos tamantildeo al

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 22: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

prepararlas con una mayor velocidad de agitacioacuten Resultados en este sentido se siguen

obteniendo al momento de preparar esta Memoria ademaacutes de los mostrados en la siguiente

seccioacuten Es claro tambieacuten que el meacutetodo quiacutemico de siacutentesis de MCs permite justamente

definir el tamantildeo de las esferas en funcioacuten de la velocidad de agitacioacuten de la mezcla de

reactivos participantes constituyeacutendose en una ventaja respecto al meacutetodo fiacutesico que se

basa en el uso de poliacutemeros ya estructurados y en la evaporacioacuten del solvente empleado

desde eacutel Tampoco el meacutetodo de preparar MCs por coacervacioacuten permite controlar el

tamantildeo de partiacuteculas

412 Caracterizacioacuten de microcaacutepsulas St-DVB sintetizadas

Para caracterizar las microcaacutepsulas sintetizadas se procedioacute a realizar este estudio

tanto desde el punto de vista quiacutemico como morfoloacutegico

En cuanto a la caracterizacioacuten quiacutemica esta se realizoacute mediante la determinacioacuten de

la cantidad de extractante encapsulado en cada uno de los tipos de microcaacutepsulas mediante

curvas de titulacioacuten potenciomeacutetrica de acuerdo a lo expresado en el punto 33 de esta

Memoria De este modo se obtuvieron los resultados que a continuacioacuten se presentan En la

Figura 13 se muestran las curvas de titulacioacuten en funcioacuten de la cantidad de solucioacuten de

NaOH empleada en la valoracioacuten del extractante aacutecido En la Tabla 6 se muestra el

volumen gastado de base en cada valoracioacuten y la correspondiente cantidad porcentual de

extractante encapsulado en cada una de las microesferas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005[M]

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Figura 13 Titulaciones potenciomeacutetricas de las MCs

sintetizadas variando la cantidad de extractante PC 88-A

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 23: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Tabla 6 Datos obtenidos a partir de la curva de titulacioacuten potenciomeacutetrica del extractante aacutecido encapsulado

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC PC06 12 8767MC PC 144 28 8333MC PC 24 34 6936MC PC 288 38 8246MC PC 432 60 8600MC PC 576 76 8917

Es claro que a medida que se aumenta la cantidad de extractante aacutecido empleada en

la siacutentesis de las microcaacutepsulas se requeriraacute una mayor cantidad de solucioacuten de NaOH no

obstante se observa que la cantidad de extractante microencapsulado tiende a un valor

relativamente constante Esto estaacute indicando que la cantidad de extractante utilizado en la

siacutentesis no influye necesariamente en la cantidad del compuesto alquilfosfoacutenico retenido al

interior de las microesferas Es decir es probable pensar que para cada una de las matrices

polimeacutericas que los contienen se alcanzariacutea un grado de saturacioacuten de los extractantes en

ellas

Para efectuar la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar fotografiacuteas de las

distintas MC con un Microscopio Carl Zeiss y una maacutequina fotograacutefica digital Nikon A

partir de esta informacioacuten se pudo determinar tanto la forma como la distribucioacuten de

tamantildeos de las esferas En particular para determinar la forma se tomaron fotografiacuteas con

un aumento de 40x imaacutegenes que se presentan en la Tabla 7

Tabla 7 Imaacutegenes de MCs sintetizadas con distinta cantidad de extractante

PC 88-A empleado en la siacutentesis

MC-PC 0 MC-PC 06 MC-PC 144 MC-PC 24 MC-PC 288 MC-PC 432 MC-PC 576

Se puede observar que en todos los casos se obtienen microesferas las cuales sin

embargo van variando tanto en tamantildeo como en la homogeneidad entre ellas Asiacute por

ejemplo se aprecia que para MC sintetizadas a partir de concentraciones bajas de

extractante se obtienen microesferas grandes en tamantildeo y ademaacutes uniformes En cambio a

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 24: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

medida que se aumenta la concentracioacuten del extractante para la siacutentesis de las MC se

obtuvieron microesferas mas pequentildeas y menos uniformes esto es se observan no solo

microesferas sino tambieacuten otras unidades maacutes pequentildeas que carecen de forma y

uniformidad Aparentemente un exceso de extractante a emplear en su preparacioacuten podriacutea

causar alguacuten grado de saturacioacuten de moleacuteculas de PC-88A en el medio de reaccioacuten el cual

podriacutea obstruir la siacutentesis de ellas o bien ocluir los poros de las MCs que se van formando

constituyeacutendose en fracciones de microesferas o aglomeracioacuten de material en su superficie

Respecto al estudio de la distribucioacuten de tamantildeos de cada una de las MCs

sintetizadas se realizoacute mediante la toma de fotografiacuteas con un aumento de 10x y mediante

el programa computacional ImageJ Algunos de los resultados obtenidos se presentan a

continuacioacuten a manera de ejemplos en las Figuras 14-21 para las MC que se indican

Posteriores resultados de las pruebas de adsorcioacuten metaluacutergicas se correlacionan con la

informacioacuten obtenida en este punto

bull MC PC 0

50 100 150 200 250 3000

4

8

12

16

20

Frec

uenc

ia

Diametro [microm]

Promedio = 13004 microm

Figura 14 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas sin extractante Figura 15 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas sin extractante

bull MC PC 144

100 150 200 250 300 350 4000

2

4

6

8

10

12

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 1661microm

Figura 16 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 144g de extractanteFigura 17 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 144g de extractante

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 25: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

bull MC PC 288

0 20 40 60 80 100 120 14002468

10121416

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5553microm

Figura 18 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 288g de extractanteFigura 19 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 288g de extractante

bull MC PC 576

20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

Frec

uenc

ia

Diametro[microm]

Promedio = 5794microm

Figura 20 Fotografiacutea de MCs

sintetizadas con 576g de extractanteFigura 21 Distribucioacuten de tamantildeo para MCs

sintetizadas con 576g de extractante

Se observa en general una distribucioacuten normal de tamantildeos en funcioacuten de la masa de

extractante empleada en la siacutentesis resultando tamantildeos medio mayores al emplear una

menor cantidad de extractante y viceversa De acuerdo a los resultados obtenidos en los

posteriores experimentos de extraccioacuten fue posible correlacionar dichos resultados con este

estudio de la distribucioacuten de tamantildeos Resultoacute claro que la extractabilidad de las MCs hacia

los metales presentes en las soluciones acuosas que los contienen esta directamente

relacionada con el tamantildeo de la microesfera empleada A medida que la MC es de menor

tamantildeo su superficie de contacto se incrementa beneficiando la eficiencia de extraccioacuten del

metal El mecanismo de adsorcioacuten de los metales en la superficie de las MCs transcurririacutea

mediante un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten quiacutemica (quimiosorcioacuten) donde

la formacioacuten del complejo metal-extractante sucede justamente en la superficie de ellas

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 26: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Tambieacuten se procedioacute a realizar la caracterizacioacuten quiacutemica y morfoloacutegica de las

microcaacutepsulas obtenidas en los experimentos en que se varioacute la velocidad de agitacioacuten

durante la siacutentesis Al respecto se procedioacute a realizar dos tipos de anaacutelisis El primero de

ellos se refirioacute a determinar la cantidad de extractante encapsulado en la matriz polimeacuterica

mediante el meacutetodo de titulacioacuten potenciomeacutetrica con NaOH El propoacutesito fue poder

observar si la velocidad de agitacioacuten empleada en la siacutentesis pudiese afectar la retencioacuten del

extractante en la microesfera En la Figura 22 y la Tabla 8 se exponen los resultados

obtenidos concluyeacutendose que al menos en el rango estudiado no se apreciaron diferencias

notables obtenieacutendose en los tres casos porcentajes de retencioacuten del compuesto

alquilfosfoacutenico cercanos al 80 confirmando que esta variable soacutelo afectariacutea el tamantildeo de

microcaacutepsula obtenida

0 1 2 3 4 5 6

-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M

MC 500 prom MC 750 prom MC 1000 prom

Figura 22 Gasto de NaOH en la titulacioacuten potenciomeacutetrica del

extractante aacutecido PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

Tabla 8 de retencioacuten de extractante PC 88-A vs velocidad de agitacioacuten en la siacutentesis

MicrocaacutepsulamL NaOH

005M gastado

Extractante retenido()

MC 500 38 8085MC 750 44 7854MC 1000 42 7977

En lo correspondiente a la caracterizacioacuten morfoloacutegica se procedioacute a tomar

fotografiacuteas mediante microscopia electroacutenica de barrido (SEM) con el equipo JEOL JSM

6380LV siguiendo el procedimiento habitual

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 27: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Las imaacutegenes obtenidas se presentan en las Figuras 23 y 24 observaacutendose

claramente que la velocidad de agitacioacuten es un factor incidente en el tamantildeo de partiacutecula

obtenido obtenieacutendose a mayor velocidad de agitacioacuten durante la siacutentesis microcaacutepsulas de

menor diaacutemetro con el consiguiente aumento de la superficie de contacto de ellas

Figura 23 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 500

Figura 24 Imagen obtenida mediante SEM de

MC 1000

413 Extraccioacuten de cobre y cinc a partir de soluciones acuosas aacutecidas

A fin de observar las capacidades extractivas referidas a la adsorcioacuten metaluacutergica

que presentan los distintos tipos de MCs preparadas se procedioacute a realizar variadas pruebas

de extraccioacuten de cobre y cinc Con este fin se utilizaron dos soluciones de alimentacioacuten

para cada metal cuyas concentraciones iniciales fueron de 1025 y 1878 mgL en el caso

del cobre y de 15175 y 3120 mgL para el cinc En cada experiencia se contactaron 02 g

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 28: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

de MC con 25 mL de solucioacuten de dadora del metal en el agitador orbital en batch durante

24 horas obtenieacutendose al cabo de ese tiempo microcaacutepsulas cargadas con los iones

metaacutelicos de intereacutes y la correspondiente solucioacuten refino (solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

empobrecida en el metal)

El progreso en el proceso de transporte de los metales hacia el interior de las MCs se

determinoacute a traveacutes del caacutelculo del grado de extraccioacuten de los metales expresado en la

desaparicioacuten de ellos desde la fase acuosa inicial (alimentacioacuten) que los contiene Con tal

propoacutesito se procedioacute a determinar las concentraciones de Cu(II) y Zn(II) en la fase acuosa

inicial de alimentacioacuten y en las muestras del refino que se van obteniendo

De esta forma el porcentaje de extraccioacuten del metal E () desde la solucioacuten que lo

contiene se calcula empleando la siguiente expresioacuten

E () = [ (CMo-CM) CCMo)]100 [] (2)

donde CM representa la concentracioacuten del metal en el refino y CMo representa su contenido

inicial en la fase acuosa de alimentacioacuten

A continuacioacuten se muestran los valores obtenidos en los diferentes experimentos

a) Extraccioacuten de cobre

En la Tabla 9 se indican los valores correspondientes a la extraccioacuten de Cu(II) con

el extractante organofosforado para cada una de las microcaacutepsulas probadas Los

resultados se expresan en moles de cobre adsorbido por mol de extractante retenido en la

microcaacutepsula Tabla 9 Cantidad de moles de metal extraiacutedo

por mol de extractante aacutecido encapsulado Alimentacioacuten 1025 mgL

Alimentacioacuten 1878mgL

Microcaacutepsulas

MC PC 06 220E-02 0MC PC 144 103E-01 795E-02MC PC 24 990E-02 819E-02MC PC 288 118E-01 130E-01MC PC 432 543E-02 605E-02

88A-PCmol

2+molesCu88A-PCmol

2+molesCu

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 29: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

En las Figuras Nordm 25 a la 28 se presentan los principales resultados obtenidos en esta

parte del estudio en base a ambas soluciones de este metal Los resultados se expresan

tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de

la solucioacuten acuosa

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1

20x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 a

dsor

bido

mol PC g MC

Figura 25 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

Figura 26 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1025 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

20x10-2

40x10-2

60x10-2

80x10-2

10x10-1

12x10-1

14x10-1

16x10-1

18x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Cu+2

ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-30

102030405060708090

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

C

u+2 e

xtra

iacutedo

mol PC g MC

Figura 27 Extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Figura 28 de extraccioacuten de cobre utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 1878 mgL

Se observa un grado de extraccioacuten del metal regular y variable seguacuten el tipo de MC

empleada lo cual es coherente con el comportamiento de este extractante hacia Cu(II) en

soluciones aacutecidas

b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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b) Extraccioacuten de cinc

En las Figuras Nordm 29 a la 32 se presentan los principales resultados obtenidos en la

adsorcioacuten de este metal con las diferentes microcaacutepsulas y empleando dos soluciones de

distinta concentracioacuten inicial Tambieacuten en este caso los resultados se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa que lo contiene

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

50x10-2

10x10-1

15x10-1

20x10-1

25x10-1

30x10-1

MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

mol

PC

88-

A

mol PC 88-A g MC

00 40x10-480x10-412x10-316x10-320x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 e

xtra

iacutedo

mol PC 88-A g MC

Figura 29 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 15175 mgL Figura 30 de extraccioacuten de cinc utilizando

alimentacioacuten de concentracioacuten de 15175 mgL

40x10-4 80x10-4 12x10-3 16x10-3 20x10-300

10x10-1

20x10-1

30x10-1

40x10-1

50x10-1 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

mol

Zn+2

Ads

orbi

do

m

ol P

C 8

8-A

mol PC 88-A g MC

00 50x10-4 10x10-3 15x10-3 20x10-30

20

40

60

80

100 MC PC 06 MC PC 144 MC PC 24 MC PC 288 MC PC 432 MC PC 576

Z

n+2 A

dsor

bido

mol PC 88-Ag MC

Figura 31 Extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten

de concentracioacuten de 3120 mgL Figura 32 de extraccioacuten de cinc utilizando alimentacioacuten de concentracioacuten de 3120 mgL

Es claro que la extractabilidad hacia cinc por el compuesto alquilfosfoacutenico es muy

superior a la observada hacia cobre lograacutendose tanto una mayor adsorcioacuten del metal por

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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185 (2008)

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Page 31: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

mol de PC-88A encapsulado como medido en teacuterminos de de extraccioacuten Este resultado

es coherente con la mejor selectividad observada para este extractante aacutecido hacia Zn(II)

respecto a Cu(II) bajo estas condiciones de acidez en la soluciones acuosas que los

contienen en experimentos efectuados mediante la metodologiacutea de extraccioacuten liacutequido-

liacutequido resultados explicados por la mayor estabilidad del complejo Zn(II)-PC-88A que la

apreciada para el del cobre Se observa tambieacuten que la extraccioacuten del metal es afectada por

la reaccioacuten quiacutemica que rige el proceso pues para ambos metales a mayor concentracioacuten

de ellos en las soluciones acuosas de alimentacioacuten se logra un menor de remocioacuten de

ellos convirtieacutendose el extractante contenido en la microesfera en el reactivo limitante

Tambieacuten se puede observar que para ambos metales las MCs de mejor rendimiento

metaluacutergico fueron aquellas sintetizadas con 288 g del extractante aacutecido tanto en de

metal extraiacutedo como maacutes significativamente en teacuterminos de los moles del metal adsorbidos

por mol de extractante encapsulado es decir en base a un valor normalizado de la actividad

quiacutemica del compuesto alquilfosfoacutenico

La extraccioacuten de iones metaacutelicos desde soluciones acuosas por el extractante

orgaacutenico fosforado estaacute regida por una reaccioacuten quiacutemica de intercambio de cationes PC-

88A es un compuesto orgaacutenico del tipo aacutecido deacutebil que posee un hidroacutegeno aacutecido en su

estructura asociado a un grupo hidroxilo enlazado al aacutetomo de foacutesforo tal como se observa

en la Figura 2 Es este ion-hidroacutegeno es el que es intercambiado por los cationes de los

metales divalentes de acuerdo a las reacciones quiacutemicas de extraccioacuten que a continuacioacuten

se presentan ++ +sdothArr+ )()(2)(2

2)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRCuRHRCu (3)

++ +sdothArr+ )()(2)(22

)( 22)(2 ACMCOrgMCOrgAC HHRZnRHRZn (4)

donde (ac) y (org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente y HR y (HR)2

representan a la moleacutecula extractante y su correspondiente diacutemero En estudios anteriores

de este grupo de investigacioacuten en hidrometalurgia se ha comprobado mediante meacutetodos de

osmometriacutea que el compuesto alquilfosfoacutenico presenta un nuacutemero promedio de

coordinacioacuten de 20 por lo que se encuentre siempre dimerizado al estar disuelto en

diluyentes orgaacutenicos 25)

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 32: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

En las ecuaciones 3 y 4 ZnR22HR y CuR22HR representan las estructuras de los

complejos metalextractante formados durante la reaccioacuten de adsorcioacuten del metal con el

extractante Es claro que en ambos casos los metales dado su estado de oxidacioacuten divalente

requieren de 2 moleacuteculas de extractante para enlazarse y precisan de dos moleacuteculas

adicionales que actuacutean solvatando la estructura del complejo tal como se observa en la

Figura 33 en la cual se presenta la estructura del complejo formado en el caso del cinc

Figura 33 Complejo PC-88A Zn

414 Cineacutetica de extraccioacuten de cobre y cinc

Asociado a los resultados obtenidos en la seccioacuten anterior se procedioacute a realizar

experimentos de extraccioacuten a distintos tiempos con el propoacutesito de analizar en primera

aproximacioacuten el comportamiento de la cineacutetica de extraccioacuten para las microcaacutepsulas que

presentaron mejores condiciones tanto para la siacutentesis de ellas como para la extraccioacuten de

los iones metaacutelicos De esta forma se puede aproximar al estudio de la efectiva viabilidad

de este meacutetodo de remocioacuten de metales desde soluciones acuosas mediante el uso de este

tipo de MCs el cual requiere no soacutelo una buena produccioacuten de ellas y una alta taza de

retencioacuten de los extractantes en su estructura sino tambieacuten precisa que las extracciones

ocurran bastante raacutepidas de forma de poder lograr una alta capacidad de extractiva de las

microesferas Con este propoacutesito se efectuaron experiencias de adsorcioacuten metaluacutergica de las

MCs en las cuales se tomaron muestras de los refinos resultantes en funcioacuten del tiempo de

proceso en un rango variable entre 1 minuto y 24 horas tiempo este uacuteltimo claramente que

resulta en exceso pero que se fijoacute soacutelo para asegurar alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

Dentro de dicho rango se encuentra un punto llamado equilibrio de extraccioacuten que es el

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 33: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

momento en que la MC no extraeraacute mayor cantidad de metal no importando cuanto tiempo

transcurra

En todas estas experiencias se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten cuyo contenido

de cobre fue de 9815 mgL y con un pH 405 En el caso de los experimentos de adsorcioacuten

de Zn(II) se utilizoacute una solucioacuten de alimentacioacuten de este metal cuya concentracioacuten fue de

11417 mgL en una solucioacuten acuosa inicial de pH 400

a) Cineacutetica de extraccioacuten de cobre

En la Tabla 10 se muestran los valores obtenidos para la cineacutetica de extraccioacuten de

este metal asiacute como la variacioacuten del pH de equilibrio en el transcurso del tiempo Los

resultados para las Figuras 33 y 34 se expresan tanto en [moles de Cu(II) adsorbidomol de

extractante] como en de metal removido de la solucioacuten acuosa

Tabla 10 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Cu(II) con la MC PC-288 Tiempo[min] Cu adsorbido[mgL] mol Cu adsmol PC-88A Cu adsorbido pH

1 5170 0107 4870 3785 3350 0069 3016 386

10 5115 0106 4814 37620 5595 0116 5303 38030 5585 0116 5293 375

120 5600 0116 5308 379240 5675 0118 5385 371

1080 5305 0110 5008 3721440 5630 0117 5339 369

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

mol

Cu+2

ad

sorb

ido

mol

PC

88-

A

Tiempo[min]

0 100 200 1000 1250 15000

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 34 Estudio de cineacutetica de extraccioacuten de

Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas MC PC-288

Figura 35 de extraccioacuten de Cu(II) en medio H2SO4 a pH 405 con microcaacutepsulas

MC PC-288

De las figuras anteriores se desprende que se alcanza el equilibrio de extraccioacuten en

lo primeros minutos de proceso y una remocioacuten maacutexima observada para este metal superior

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 34: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

al 50 el cual corresponde a una adsorcioacuten de 76 g del metalmol de extractante lo que

refleja la excelente adsorbilidad de esta MC en cuya estructura se encuentra retenido el

compuesto alquilfosfoacutenico

b) Cineacutetica de extraccioacuten de cinc

En la Tabla 11 se muestran los valores obtenidos en los experimentos de cineacutetica de

extraccioacuten de este metal y la correspondiente variacioacuten del pH en el transcurso del tiempo

Al igual que en el caso anterior los resultados de las Figuras 36 y 37 se expresan tanto en

[moles de Zn(II) adsorbidomol de extractante] como en de metal removido de la

solucioacuten acuosa

Tabla 11 Datos de cineacutetica de extraccioacuten de Zn(II) con la MC PC-288

Tiempo[min] Zn adsorbido[mgL] mol Zn adsmol PC-88A Zn adsorbido pH1 10256 0206 8983 3295 11214 0226 9822 325

10 11298 0227 9896 32120 11332 0228 9926 32730 11309 0228 9905 32860 11313 0228 9909 328

120 11315 0228 9911 322240 11291 0227 9890 320

1080 11325 0228 9919 3291440 11396 0229 9982 329

0 100 200 1000 1250 150000

30x10-2

60x10-2

90x10-2

12x10-1

15x10-1

18x10-1

21x10-1

24x10-1

27x10-1

30x10-1

mol

Zn+2

ads

orb

ido

m

ol P

C 8

8-A

Tiempo[min]0 100 200 1000 1250 1500

0

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo[min]

Figura 36 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas MC

PC 288

Figura 37 de extraccioacuten de Zn (II) en medio H2SO4 a pH 400 con microcaacutepsulas

MC PC 288

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 35: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Se observa en estos resultados que la extraccioacuten de este ion metaacutelico es incluso maacutes

raacutepida que para el caso de la extraccioacuten de cobre y se aprecia ademaacutes en la Figura 37 que la

extractabilidad del compuesto fosfoacutenico encapsulado en la MC es claramente superior para

cinc lograacutendose alcanzar valores praacutecticamente cuantitativos

El tiempo en alcanzar el equilibrio de extraccioacuten resultoacute ser aproximadamente la

mitad del tiempo necesario para el caso de la extraccioacuten de cobre lo cual estariacutea

confirmando la mayor selectividad del PC-88A hacia este metal respecto al cobre Esto

quiere decir que en ausencia de Zn(II) las microcaacutepsulas con extractante PC-88A

extraeriacutean Cu(II) pero en presencia de ambos metales estas MCs seriacutean selectivas para

Zn(II) Esto dice relacioacuten con las condiciones oacuteptimas para formar complejos estables

metalextractante las que son superiores para el caso del Zn(II)

Se efectuoacute tambieacuten el mismo anaacutelisis cineacutetico con las microcaacutepsulas obtenidas en

siacutentesis realizadas a diferente velocidad de agitacioacuten Considerando los resultados

anteriores se procedioacute a efectuar una serie de experimentos de adsorcioacuten metaluacutergica de

cobre y cinc

Con tal propoacutesito se prepararon las siguientes soluciones sinteacuteticas de estos metales

bull Solucioacuten de CuSO4 978mgL pH = 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 1055mgL pH = 401

Se realizoacute para cada una de las microcaacutepsulas una serie de experimentos de cineacutetica

de extraccioacuten variando los tiempos de contacto entre las MCs y estas soluciones entre 1 y

240 minutos a fin de medir el periacuteodo necesario para alcanzar el equilibrio de extraccioacuten

asiacute como tambieacuten para analizar el comportamiento que tiene las microesferas antes de

alcanzar este punto

En las Figuras 38 y 39 se presentan los resultados correspondientes a las

adsorciones metaluacutergicas para Cu(II) con los tres tipos de microcaacutepsulas utilizadas

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 36: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

0 50 100 150 200 25030x10-2

40x10-2

50x10-2

60x10-2

70x10-2

80x10-2

90x10-2

10x10-1

11x10-1

MC 500 MC 750 MC 1000m

ol C

u+2 A

dso

rbid

om

ol P

C 8

8-A

Tiempo [min]0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

C

u+2 a

dsor

bido

Tiempo [min]

Cu ext 500 Cu ext 750 Cu ext 1000

Figura 38 Cineacutetica de extraccioacuten de Cu (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 39 de extraccioacuten de Cu (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

De las figuras se desprende claramente que se obtuvo una mayor extraccioacuten del

metal empleando las microcaacutepsulas obtenidas a una velocidad de agitacioacuten de 750 min-1 y

de 1000 min-1 Aparentemente el menor tamantildeo de estas matrices polimeacutericas beneficiariacutea

la extractabilidad del metal expresada en teacuterminos de [mol Cu adsorbidosmol de

extractante inmovilizado] o en de metal removido de la solucioacuten acuosa de alimentacioacuten

que lo contiene Este uacuteltimo valor es proporcionalmente dependiente de los moles de metal

retenido en la MC pudiendo llegar a constituirse en algunas condiciones experimentales el

extractante en el reactivo limitante al requerirse 4 moles de PC-88A por cada ioacuten-gramo de

metal a remover de acuerdo a la reaccioacuten propuesta en la Ecuacioacuten 3 Es decir para una

determinada cantidad de metal a remover se debe disponer de una molaridad de extractante

suficiente estimada como resultado del producto de [moles de extractantes retenidos

gramo de MC] x [masa de MC]

Se pudo observar ademaacutes que el tiempo para alcanzar el equilibrio fue en general

bastante raacutepido para todas las MCs hecho coherente con la alta cineacutetica de extraccioacuten que

presentan las moleacuteculas extractantes comerciales de extendido uso en metalurgia extractiva

como es el caso del reactivo alquilfosfoacutenico utilizado en esta parte del estudio

Respecto a la adsorcioacuten de cinc en las Figuras 40 y 41 se pueden observar los

resultados logrados En este caso no se observan claras diferencias en la adsorcioacuten del

metal al emplear los tres tipos de MCs resultando todas ser muy eficientes obtenieacutendose

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 37: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

siempre altos grados de extraccioacuten por sobre el 90 y alcanzando el equilibrio de

extraccioacuten a tiempos similares cercanos a los 10 minutos

Estos diferentes resultados observados respecto de Cu(II) son tambieacuten coherentes

con los explicados anteriormente relativos a la comprobada mayor actividad extractiva del

compuesto fosfoacutenico hacia Zn(II) respecto de cobre tal como ha sido informada en estudios

anteriores de este grupo de investigacioacuten 25)

0 50 100 150 200 250002004006008010012014016018020022

mol

Zn+2

ext

mol

PC

88-

A

Tiempo [min]

MC 500 MC 750 MC 1000

0 50 100 150 200 2500

20

40

60

80

100

Z

n+2 a

dso

rbid

o

Tiempo [min]

Zn ext 500 Zn ext 750 Zn ext 1000

Figura 40 Cineacutetica de extraccioacuten de Zn (II) en

medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas variando velocidad de agitacioacuten

Figura 41 de extraccioacuten de Zn (II) en medio aacutecido utilizando MCs sintetizadas

variando velocidad de agitacioacuten

c) Estudio cineacutetico de los resultados de adsorcioacuten

A partir de los resultados obtenidos en los experimentos de cineacutetica de extraccioacuten es

posible realizar un estudio cuantitativo en base al empleo de modelos cineacuteticos Las

constantes de velocidad pueden ser calculadas usando modelos cineacuteticos de pseudo-primer

orden y de pseudo-segundo orden En general los modelos de pseudo-primer orden seriacutean

aplicables soacutelo a bajas concentraciones superficiales de la especie adsorbida sobre la

superficie de la microcaacutepsula 2627) en cambio los modelos de cineacutetica de psudo-segundo

orden ajustariacutean mejor los valores experimentales en el caso de altas concentraciones del

adsorbato en la superficie y estariacutean ademaacutes maacutes basados en la capacidad de adsorcioacuten de

los adsorbentes (en nuestro estudio las microcaacutepsulas) maacutes que en la concentracioacuten del

sorbato en la solucioacuten acuosa 2829) Sin embargo por desconocer a priori el comportamiento

de adsorcioacuten de las microesferas planteamos la posibilidad que ambos tipos de modelos

cineacuteticos pudiesen interpretar nuestros datos experimentales

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 38: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

La expresioacuten para un modelo de pseudo-primer orden puede ser expresada de

acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

tKqqq ete sdotminus=minus3032

log)log( 1 (5)

donde qe y qt son la cantidad de metal adsorbido[mgg] en el equilibrio y al tiempo t

respectivamente y K1 es la constante de velocidad de equilibrio de pseudo primer

orden[min-1] Un graacutefico de log(qe-qt) vs t entrega los datos que confirmariacutean la

aplicabilidad de este meacutetodo para la extraccioacuten con estas microcaacutepsulas y el respectivo

extractante

La ecuacioacuten que da cuenta de la velocidad de adsorcioacuten para un modelo de pseudo-

segundo orden puede ser expresada a traveacutes de la siguiente expresioacuten

tqqKq

t

eet

sdot+sdot

=11

2

(6)

donde K2 corresponde a la constante de velocidad de adsorcioacuten de pseudo-segundo

orden[gmg min] y qt y qe representan tambieacuten lo indicado para el modelo de primer orden

A continuacioacuten se muestran los resultados obtenidos para cada uno de los modelos

presentados tanto para Cu(II) como Zn(II)

Tabla 12 Constantes cineacuteticas de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

Ion metalico

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

Cu(II) 01617 20880 69938 09918 099556 689579 699375 09988Zn(II) 00157 04231 139849 08838 1492707 14011 1398486 09998

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

A partir de los datos obtenidos con los modelos cineacuteticos presentados en la Tabla

12 se puede observar que efectivamente el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden

ajustoacute mejor los valores experimentalmente obtenidos que el modelo de pseudo-primer

orden En efecto los valores de qe teoacutericos obtenidos a traveacutes de este modelo difieren

considerablemente de los valores experimentales observados En cambio se aprecia en la

Tabla 12 un ajuste bastante bueno para los mismos valores pero estimados por el modelo de

pseudo-segundo orden Maacutes auacuten de la propia tabla se observa que los coeficientes de

correlacioacuten R2 obtenidos para este modelo son en todos los casos muy buenos hecho que

no se produce con el modelo de primer orden en particular para la adsorcioacuten de Zn(II) Por

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

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25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

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26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

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metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

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styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

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stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 39: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

lo tanto podriacuteamos indicar claramente que la adsorcioacuten quiacutemica de Cu(II) y de Zn(II) con

el extractante alquilfosfoacutenico encapsulado en las microesferas polimeacutericas estariacutea regida

desde un punto de vista cineacutetico por un modelo de pseudo-segundo orden lo cual es

coherente con el hecho que de acuerdo a la forma de sintetizar las MCs una vez evaporado

el solvente orgaacutenico (tolueno) el extractante queda praacutecticamente concentrado al estado

puro en el seno de la reaccioacuten de polimerizacioacuten lo que valida lo anteriormente establecido

respecto a la aplicabilidad de este modelo para altas concentraciones del adsorbente en la

superficie de la MC En la Figura 42 se presentan los valores de adsorcioacuten de ambos

metales ordenados seguacuten la ecuacioacuten 6 propia del modelo cineacutetico de pseudo-segundo

orden Es claro que para ambos metales el modelo ajusta bien los valores experimentales

siendo posible obtener de eacutel los valores de todas las constantes propias de este mecanismo

De la Tabla 12 se observa tambieacuten la mejor adsorcioacuten de Zn(II) con respecto a la de

Cu(II) tanto al comparar los valores cineacuteticos (K2) como los de equilibrio (qe y qt)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

30

60

90

120

150

180

210

tq t

Tiempo[min]

Zn(II) Cu(II)

Figura 42 Cineacutetica de pseudo segundo

orden para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) con MC PC 288

La misma relacioacuten se obtuvo en los experimentos cineacuteticos efectuados con las

microcaacutepsulas preparadas a diferentes velocidades de agitacioacuten de las fases continuas y

dispersas durante la siacutentesis Los resultados se presentan en las Figuras 43 y 44 y los

valores de las constantes logradas en la Tabla 13 Es claro que tambieacuten en estos casos se

puede observar que la adsorcioacuten de los metales de intereacutes para este estudio esta regida por

el modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden esto de acuerdo a los valores de R2 obtenidos

Se puede ver que para ambos metales el valor de la constante de velocidad es mayor para

aquellas esferas sintetizadas a la mayor velocidad tomada en el presente estudio lo que

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 40: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

implica que con ese tipo de MCs se alcanza la saturacioacuten de estas en un periacuteodo menor

de tiempo pero no involucra necesariamente una mayor capacidad de extraccioacuten y soacutelo

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 1000 RPM

0 5 10 15 20

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

tq t

Tiempo[min]

500 RPM 750 RPM 500 RPM

Figura 43 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Cu(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Figura 44 Cineacutetica de pseudo-segundo orden para la adsorcioacuten de Zn(II) en MCs con PC-88A como extractante y distintas velocidades de agitacioacuten

Tabla 13 Constantes cineacuteticas de pseudo primer y pseudo segundo orden

para la adsorcioacuten de Cu(II) y Zn(II) para microcaacutepsulas sintetizadas variando la velocidad de agitacioacuten con PC 88-A como extractante

K1[min-1] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2 K2[gmg min] qe(teoacuterico) qe(experimental) R2

500 03882 08544 38000 07816 84426 27243 38000 09976750 04424 21887 59687 09489 25092 65013 59687 09952

1000 01150 01589 58187 07951 159636 58299 58187 09992500 01762 67770 128477 05886 07066 137069 128477 09958750 02572 69272 121979 05546 17201 132734 121979 09962

1000 01972 66758 125962 05846 346553 126753 125962 09992

Cineacutetica de pseudo primer orden Cineacutetica de pseudo segundo orden

Cu(II)

Zn(II)

Ion metalicoVelocidad de

agitacioacuten [RPM]

representariacutea una disminucioacuten en el tiempo en que ese punto es alcanzado Ademaacutes se

puede observar que los valores correspondientes a las capacidades de extraccioacuten maacuteximas

coinciden casi perfectamente para ese tipo de microcaacutepsulas esto considerando tambieacuten el

valor del R2 correspondiente En la Tabla 13 queda de nuevo de manifiesto que el modelo

de primer orden sencillamente no ajusta los resultados experimentales observados

confirmando lo establecido anteriormente

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 41: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

42 Adsorcioacuten de los metales mediante otros extractantes microencapsulados

421 Siacutentesis de las microcaacutepsulas

Constituiacutea un objetivo de esta Memoria poder estudiar la microencapsulacioacuten de

diferentes extractantes en las matrices polimeacutericas propuestas A partir del conocimiento

que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra Facultad la actividad

quiacutemica de las diferentes moleacuteculas extractantes depende no soacutelo de su propia

funcionalidad (extractantes aacutecidos baacutesicos solvatantes etc) sino tambieacuten de la

composicioacuten de la solucioacuten acuosa que contiene los metales incluido su acidez (pH) la

concentracioacuten misma de los metales en ella el tipo de contra-ion presente en solucioacuten y su

contenido

Todas estas variables afectan entre otras caracteriacutesticas la especiacioacuten de los iones

metaacutelicos en solucioacuten generaacutendose eventualmente especies anioacutenicas catioacutenicas neutras

monomeacutericas o polimerizadas en diferente grado lo que obliga a que para la extraccioacuten o

remocioacuten de alguacuten metal pesado desde cualquier matriz acuosa la correcta eleccioacuten de la

moleacutecula extractante deba ser muy cuidadosa

Con este propoacutesito se dispuso en este estudio intentar microencapsular otros

extractantes en las microesferas midiendo no soacutelo la eficiencia de siacutentesis sino tambieacuten el

grado de retencioacuten de los extractantes en las matrices polimeacutericas y de sobremanera su

capacidad de adsorcioacuten de diferentes metales

En todos estos experimentos se empleoacute una matriz polimeacuterica constituida por 333

St y 667 DVB Los extractantes utilizados fueron LIX 84-I (2-hidroxi-5-nonil-

acetofenona-oxima) Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) los compuestos baacutesicos

intercambiadores de aniones TOA (tri-octil amina) y Alamine 336 y los compuestos

solvatantes TBP (fosfato de tributilo) y TOPO (oacutexido de tri-octil fosfina)

A continuacioacuten se presentan los resultados alcanzados con cada uno de ellos

quedando claro que el comportamiento durante la siacutentesis o en las pruebas metaluacutergicas fue

muy variable lo que confirma la influencia de la estructura quiacutemica de ellos sobre el

proceso de encapsulacioacuten En la Tabla 14 se presentan para cada caso las composiciones

tanto de las fases acuosas como de las fases orgaacutenicas durante el proceso de siacutentesis Las

fases acuosas fueron siempre las mismas y en la constitucioacuten de las fases orgaacutenicas soacutelo se

cambioacute el extractante empleado

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 42: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Tabla 14 Datos experimentales de MCs sintetizadas con distintos extractantes

Tipo AguaGoma

AraacutebigaPeroxido de

Benzoilo Estireno Divinilbenceno Extractante Tolueno

LIX 84-I 25049 5 10830 080 48 293 864

Aliquat 336 25075 5 10870 081 481 288 863

TBP 2505 496 10810 081 481 290 866

TOPO 25086 5 10867 080 484 290 867

TOA 25005 54 10824 080 484 288 864

Alamine 336 25035 541 10828 085 482 290 867

Fase Acuosa [g] Fase Orgaacutenica [g]

A continuacioacuten en la Tabla 15 se presentan los resultados de cada una de la siacutentesis

de las microcaacutepsulas Se observa en ella que no se obtuvieron MCs al emplear el reactivo

LIX 84-I bajos rendimientos en el caso de los extractantes amiacutenicos y mejores

rendimientos para la sal de amonio cuaternario y los reactivos solvatantes

Tabla 15 Rendimiento de produccioacuten de microcaacutepsulas

sintetizadas con distintos extractantes Extractante Masa Teorica Masa Obtenida Rendimiento ()LIX 84-I 961 000 000

Aliquat 336 959 680 7090TBP 960 761 7927

TOPO 963 725 7528TOA 960 157 1635

Alamine 336 965 334 3461

La nula encapsulacioacuten del extractante LIX 84-I se debe probablemente a su

estructura la cual sufririacutean una peacuterdida de una moleacutecula de agua por calentamiento a 70ordmC

durante la siacutentesis de las microesferas debido a la presencia de los dos grupos hidroxiacutelicos

vecinales (OH-) el fenoacutelico y el hidroxiacutemico A su vez esta deshidratacioacuten conduciriacutea a la

formacioacuten de una fase gomosa imposible de dispersar y por tanto de microencapsular

adecuadamente Llama la atencioacuten la deacutebil retencioacuten de las aminas TOA y Alamine 336 lo

cual podriacutea explicarse por el hecho de constituirse estos compuestos tiacutepicamente

formadores de pares ioacutenicos mediante un catioacuten y un anioacuten bastante voluminoso y que

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 43: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

probablemente requeririacutean de una estructura porosa en la matriz polimeacuterica de diferentes

caracteriacutesticas Este punto se estaacute estudiando en otro estudio posterior a esta Memoria La

retencioacuten de los reactivos solvatantes TOPO y TBP aparecen como razonables al igual que

el de la sal de amonio cuaternario lo que motivoacute a efectuar experimentos de adsorcioacuten

metaluacutergicas con ellos

422 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas contenedoras de TOPO y TBP

En las Figuras 45 y 46 se observan imaacutegenes SEM de la produccioacuten de

microcaacutepsulas con TOPO y con TBP Se observa que estas presentan una clara forma

esfeacuterica y una superficie relativamente lisa Se observan tambieacuten fragmentos de

microesferas y un exceso de material sobre la microesfera debido probablemente a siacutentesis

incompleta yo a un exceso de material que participa en la preparacioacuten

Estos experimentos se realizaron empleando soluciones acuosas sinteacuteticas

preparadas en laboratorio cuyas concentraciones se variaron en los siguientes rangos entre

4472 y 9435 mgL para Cu(II) y entre 5442 y 10783 mgL para Zn(II)

Figura 45 Imagen obtenida mediante SEM de a una

MC sintetizada con TOPO como extractante

Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Figura 46 Imagen obtenida mediante SEM de a una MC sintetizada con TBP como extractante

En la Tabla 16 y 17 se presentan las condiciones de siacutentesis y los rendimientos de

adsorcioacuten de los metales estudiados con ambos compuestos extractantes

Tabla 16 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm]

Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TOPO Cu 50 2003 466 428 473 1057MC TOPO Cu 100 2004 447 428 1325 1404MC TOPO Zn 50 2004 464 445 492 904MC TOPO Zn 100 2001 441 438 383 355

Tabla 17 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con TBP como extractante

Tipo Masa MC [mg] pH inicial pH equilibrio Metal extraiacutedo[ppm] Rendimiento de extraccioacuten ()

MC TBP Cu 50 2000 466 429 783 1750MC TBP Cu 100 2003 447 431 1710 1812MC TBP Zn 50 2004 464 431 1233 2266MC TBP Zn 100 2002 441 412 2700 2504

Se observa en ambas Tablas que la extraccioacuten de ambos metales fue baja con un

leve descenso del pH de equilibrio respecto al pH inicial Estos resultados seriacutean

coherentes con el hecho que estos extractantes solvatantes extraen simultaacuteneamente catioacuten

y anioacuten es decir especies neutras Tanto cobre como cinc se encontrariacutean en las soluciones

acuosas empleadas en esta etapa del estudio formando baacutesicamente especies catioacutenicas y

monomeacutericas dado el pH y su concentracioacuten en ellas TOPO y TBP presentan en sus

estructuras quiacutemicas grupos alquilos y alcoacutexidos unidos a dobles enlaces P=O dotados de

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 45: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

una alta densidad electroacutenica sitios de solvatacioacuten mediante formacioacuten de enlaces

covalentes coordinados Estas microcaacutepsulas estaacuten siendo empleadas en el estudio de

adsorcioacuten de otros metales que si presentan la formacioacuten de especies neutras en soluciones

acuosas

El grado a la cual la adsorcioacuten del metal ocurre y las relaciones de equilibrio

resultantes del proceso pueden ser correlacionadas de acuerdo a la relacioacuten empiacuterica de

Freundlich y a una teoacuterica derivada de la ecuacioacuten de Langmuir A continuacioacuten se

presentan los resultados preliminares del estudio de las isotermas de equilibrio adsorcioacuten de

Cu(II) y Zn(II) con estas microcaacutepsulas de acuerdo a estos modelos Con este propoacutesito

despueacutes de cada experimento se procedioacute a medir los porcentajes de adsorcioacuten de cada

metal en las MCs y a partir de las concentraciones de ellos en equilibrio se construyeron las

respectivas isotermas de adsorcioacuten

El conocido modelo de Langmuir basado en el equilibrio entre la retencioacuten

(condensacioacuten) y la liberacioacuten (evaporacioacuten) de las moleacuteculas adsorbidas y que considera

una sola capa molecular de especies adsorbidas utiliza la siguiente expresioacuten

eq

eq

CbCbq

qtimes+

timestimes=

1max (7)

en la cual las diferentes variables quedan definidas de acuerdo a lo siguiente q representa a

concentracioacuten de metal adsorbido expresado en [mmol g MC] b corresponde al coeficiente

de afinidad expresado en [Lmmol] constante que en la praacutectica aumenta con el aumento

del tamantildeo molecular de la especie a adsorber qmax denota la maacutexima capacidad de

adsorcioacuten de la monocapa [mmol g MC] es decir representa la cantidad de metal a

adsorber para formar una monocapa completa sobre la superficie de la MC y Ceq la

concentracioacuten del metal en el equilibrio medida en [mmol L] La ecuacioacuten (7) puede

reescribirse en forma linealizada obtenieacutendose la siguiente relacioacuten

maxmax

111qCbqq eq

+timestimes

= (8)

En nuestro caso este modelo seriacutea aplicable por contener las soluciones acuosas

tratadas un solo metal en ella Sin embargo la mayor parte de las soluciones acuosas

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 46: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

residuales de origen industrial o minero contienen maacutes de una sustancia factible de ser

adsorbidas lo que impide la aplicacioacuten directa de este modelo3031)

Por otra parte para la mayor parte de aplicaciones praacutecticas de procesos de adsorcioacuten

las isotermas de Freundlich normalmente proveen una correlacioacuten satisfactoria Este

modelo de Freundlich representa tambieacuten la adsorcioacuten del sorbato sobre la superficie de la

microcaacutepsula quedando definido por la siguiente ecuacioacuten

neqF Ckq 1

times= (9)

en la cual q representa la concentracioacuten de metal adsorbido medido en [mmol g MC] kF

corresponde al coeficiente de Freundlich expresado en [mmol1-1n g-1 L1n] n representa el

coeficiente exponencial de Freundlich [-] y Ceq denota la concentracioacuten del metal en el

equilibrio kF y n son constantes que dependen de la temperatura del adsorbente empleado

y de la sustancia a adsorber A partir de la ecuacioacuten (9) es posible obtener una forma lineal

de ella desde la cual se pueden determinar las constantes del proceso de adsorcioacuten3233)

seguacuten

eqF Cn

Kq log1loglog += (10)

En las Figuras 47 y 48 se presentan las isotermas de adsorcioacuten de Langmuir y

Freundlich obtenidas durante la extraccioacuten de ambos metales empleando microcaacutepsulas

cargadas con el extractante TBP

00 05 10 15 200005

0010

0015

0020

0025

0030

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 47 Isotermas de adsorcioacuten de Cu(II) a pH 40

con MCs con TBP como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35 40 45

00050010001500200025003000350040004500500055

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 48 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TBP como extractante A su vez en la Tabla 18 se presentan los valores de las constantes de adsorcioacuten con

TBP obtenidas para ambos metales de acuerdo a ambos modelos de equilibrio de adsorcioacuten

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 47: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Tabla 18 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TBP como extractante Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00257 47161 09188 00216 22814 09818Cinc 00389 12851 08302 00203 17639 07906

Langmuir Freundlich

Es claro que los valores obtenidos para la adsorcioacuten de Cu(II) se ajustan mejor que

aquellos logrados para cinc en particular al emplear el modelo de Langmuir basado en la

monocapa de moleacuteculas en la superficie de la microcaacutepsula lo cual es coherente con lo

teoacuterico al tratarse de soluciones que soacutelo contienen un metal Sin embargo tanto los valores

de qmax como los de KF resultaron ser superiores para Zn(II) lo que demuestra la mayor

afinidad hacia este metal por parte de este extractante solvatante

En las Figuras 49 y 50 se observan las isotermas de Langmuir y Freundlich

obtenidas durante el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y cinc sobre las microesferas

sintetizadas con el compuesto extractante solvatante TOPO En la Tabla 19 se pueden

apreciar los valores de las constantes de equilibrios de adsorcioacuten obtenidas mediante ambos

modelos

00 05 10 15 20

0010

0015

0020

0025

0030

0035

0040

q [m

mol

gM

C]

[Cu]eq

[mmolL]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 49 Isotermas de adsorcioacuten de Cu a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

00 05 10 15 20 25 30 35

001

002

003

004

005

006

007

q [m

mol

gM

C]

[Zn]eq

[mmol L]

q freundlich q langmuir q exp

Figura 50 Isotermas de adsorcioacuten de Zn a pH 40 con

MCs con TOPO como extractante

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 48: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Tabla 19 Modelos de equilibrio de adsorcioacuten de Cu y Zn con microcaacutepsulas con TOPO como extractante

Modelo de adsorcioacuten

Metal qmax [mmolgMC] b

[Lmmol] R2

KF

[mmol1-1n g-1 L1n] n R2

Cobre 00236 171869 07156 00246 34548 08381Cinc 00522 18124 09097 00311 08669 09130

Langmuir Freundlich

Tal como se observa en este caso ambos modelos soacutelo explican bien los resultados

experimentales obtenidos a bajas concentraciones del metal en el equilibrio observaacutendose

tambieacuten una mayor adsorbilidad hacia cinc respecto de cobre de este extractante

coordinante Esta parte del estudio incluida en el Proyecto Fondecyt que financioacute esta

Memoria estaacute siendo estudiada con detencioacuten durante el segundo antildeo de desarrollo del

proyecto

423 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con D2EHPA y Aliquat 336

Todas estas microcaacutepsulas fueron sintetizadas empleando el mismo procedimiento

sentildealado en las secciones anteriores La matriz polimeacuterica fue constituida en todos los casos

por una proporcioacuten de monoacutemeros de 50 de divinilbenceno y 50 de estireno En su

preparacioacuten se utilizaron dos cantidades diferentes de goma araacutebiga como reactivo

dispersante (GD) de acuerdo a la siguiente nomenclatura

D2EHPA 1GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 1 de goma dispersante

D2EHPA 2GD MCs sintetizadas con extractante D2EHPA y 2 de goma dispersante

Aliquat 1GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 1 de goma dispersante

Aliquat 2GD MCs sintetizadas con extractante Aliquat 336 y 2 de goma dispersante

En la Tabla 20 se indican las condiciones de siacutentesis para cada microcaacutepsula y los

rendimientos de produccioacuten para cada una de ellas

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Page 49: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Tabla 20 Reactivos de siacutentesis de microcaacutepsulas con los extractantes D2EHPA y Aliquat 336 Fase Acuosa D2EHPA 1 GD D2EHPA 2 GD Aliquat 1 GD Aliquat 1 GDAgua [g] 250 250 250 250Goma[g] 270 540 270 541Fase OrgaacutenicaTolueno[g] 864 864 863 864Peroacutexido[g] 108 108 108 108DVB[g] 410 411 409 410St[g] 180 181 182 180Extractante 288 289 288 289Rendimiento () 7840 8350 6850 4870

La cantidad de extractante aacutecido se determinoacute mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica

utilizando una solucioacuten de NaOH 005M y la cantidad de extractante baacutesico se determinoacute a

traveacutes de la determinacioacuten del ion cloruro mediante argentometriacutea utilizando una solucioacuten

de AgNO3 01023M y gotas de solucioacuten de dicromato de sodio como indicador Al ser la

molaridad de la reaccioacuten entre el extractante y el reactivo valorante 11 para ambos casos

la cantidad de solucioacuten empleada en la titulacioacuten corresponde exactamente al total de moles

de extractante al interior de la microcaacutepsula

A continuacioacuten se presentan los graacuteficos correspondientes a las valoraciones

efectuadas mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica para cada una de las diferentes

microesferas

0 2 4 6 8 10-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 51 Titulacioacuten potenciomeacutetrica de

D2EHPA 1GD

0 2 4 6 8-300

-200

-100

0

100

200

300

E [m

V]

mL NaOH 005M gastados

Figura 52 Titulacioacuten potenciomeacutetrica

D2EHPA 2GD

De la Figura 51 se puede calcular en forma graacutefica a partir de la derivada de la curva

de titulacioacuten que se gastaron 76 mL de NaOH 005M de lo cual se obtiene

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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(2006)

Page 50: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

sdot=sdotsdot= minus

gMCmoles

mLmL

mLmol

gMCmLmoles 41059

2050

1000050

167D2EHPA = 2374 [g extractante] en

la microesfera lo que equivale al 8230 del extractante utilizado inicialmente durante la

siacutentesis

Anaacutelogamente de la Figura 52 y de los valores de la titulacioacuten mediante

argentometriacutea se obtienen respectivamente los siguientes valores

D2EHPA 2GD = 77510-4 [molesg MC] = 2061 [g extractante] = 716 rendimiento

Aliquat 1GD = 17910-4 [molesg MC] = 05278 [g extractante] = 183 rendimiento

Aliquat 2GD = 17910-4 [molesg MC] = 0375 [g extractante] = 130 rendimiento

Es claro en base a los resultados obtenidos que la inmovilizacioacuten del extractante

aacutecido resultoacute ser muy superior al obtenido para la sal de amonio cuaternario Este resultado

es coherente con los obtenidos anteriormente pues D2EHPA es un compuesto

alquilfosfoacuterico es decir un di-ester de estructura muy parecida al PC-88A que corresponde

a un mono-ester alquilfosfoacutenico siendo ambos aacutecidos deacutebiles de faacutecil retencioacuten en la

estructura polimeacuterica empleada en base a DVB y estireno En este sentido Aliquat 336

corresponde tambieacuten a un compuesto baacutesico intercambiador de aniones que actuacutea por

formacioacuten de pares ioacutenicos durante la extraccioacuten del metal y cuya encapsulacioacuten resultoacute ser

deacutebil como la de las otras aminas TOA y Alamine 336

La caracterizacioacuten morfoloacutegica de las microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 se

realizoacute mediante un equipo Malvern Ins Mastersizer 2000 cuyo resultado se muestra en la

Figura 53

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

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Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

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(2006)

Page 51: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

Figura 53 Distribucioacuten de tamantildeos para microcaacutepsulas sintetizadas con Aliquat 336 como

extractante con 2 de goma dispersante

Se observa que el tamantildeo de partiacutecula promedio es muy bajo alrededor de 10microm lo

cual puede ser debido a que al entrar en contacto la fase orgaacutenica con la acuosa

inmediatamente la solucioacuten se torna de color blanco turbia y de aspecto lechoso Esto

indica que el proceso de formacioacuten de las microcaacutepsulas seriacutea maacutes raacutepido si se utiliza este

tipo de extractante y por este motivo se obtienen microesferas de menor tamantildeo y con ello

una menor retencioacuten del extractante

Los experimentos de quimiosorcioacuten de cobre y cinc se realizaron empleando las

siguientes soluciones sinteacuteticas preparadas en laboratorio

bull Solucioacuten de CuSO4 con contenido de Cu(II) de 978 mgL y pH 402

bull Solucioacuten de ZnSO4 con concentracioacuten de Zn(II) de 1055 mgL y pH = 401

bull Solucioacuten de CuCl22H2O con un contenido de Cu(II) de 9955 mgL y pH=399

bull Solucioacuten de ZnCl2 de concentracioacuten de Zn(II) de 1000 mgL y pH=400

En las Tablas 21 y 22 se pueden observar los resultados obtenidos de remocioacuten con el

extractante D2EHPA de Cu(II) y Zn(II) respectivamente todas en medio aacutecido sulfuacuterico

Es claro que la extraccioacuten de cinc es praacutecticamente cuantitativa en cambio la de cobre es

soacutelo regular Es claro que el extractante inmovilizado en la estructura polimeacuterica de la

microesfera mantiene su comportamiento extractivo respecto al que se le ha observado en

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1) Butler B Ranville J Ross P ldquoObserved and modeled seasonal trends in dissolved and

particulate Cu Fe Mn and Zn in a mining-impacted streamrdquo Water Research 42 3135 ndash

3145 (2008)

2) Malmstroumlma M Berglund S Jarsjo Jrdquo Combined effects of spatially variable flow and

mineralogy on the attenuation of acid mine drainage in groundwaterrdquo Applied

Geochemistry 23 1419ndash1436 (2008)

3) Bilek F ldquoPrediction of ground water quality affected by acid mine drainage to

accompany in situ remediation Transaction of Institution of Mining and Metallurgy

Section B Applied Earth Science 113 B31-B42 (2004)

4) Comisioacuten Nacional del Medio Ambiente Decreto Supremo Ndeg 902000 del Ministerio

Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

containing acidic organophosphorus extractantsrdquo Proc Nat Sci Counc ROC(A) 23 353-

364 (1999)

10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 52: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

experimentos de extraccioacuten liacutequido-liacutequido o mediante membranas liacutequidas de soporte

soacutelido o emulsionadas 34)

Tabla 21 Extraccioacuten de cobre con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol D2EHPA Cu extraiacutedo

D2EHPA 1GD 4580 0095 4685D2EHPA 2GD 4050 0103 4143

Tabla 22 Extraccioacuten de zinc con microcaacutepsulas con D2EHPA como extractante Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol D2EHPA Zn extraiacutedo

D2EHPA 1GD 10433 0210 9513D2EHPA 2GD 10550 0260 10000

A su vez en las Tablas 23 a la 26 se presentan los resultados de adsorcioacuten de Cu(II)

y Zn(II)empleando microcaacutepsulas con el compuesto extractante intercambiador de aniones

Aliquat 336 Estos experimentos fueron realizados tanto empleando soluciones sulfatadas

como en medio cloruro

Tabla 23 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1770 0194 1778Aliquat 2GD 1385 0152 1391

Tabla 24 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio sulfato Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 1650 0881 1564Aliquat 2GD 1296 0142 1232

Tabla 25 Extraccioacuten de Cu(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Cu extraiacutedo[mgL] mol Cu extmol Aliquat Cu extraiacutedo

Aliquat 1GD 1990 0219 1999Aliquat 2GD 1190 0200 1195

Tabla 26 Extraccioacuten de Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 en medio cloruro Zn extraiacutedo[mgL] mol Zn extmol Aliquat Zn extraiacutedo

Aliquat 1GD 2576 0275 2349Aliquat 2GD 2234 0239 2037

Estos resultados estaacuten indicando que este extractante del tipo sal de amonio

cuaternario que actuacutea mediante intercambio de aniones no presenta una buena

extractabilidad hacia ambos metales en las condiciones en que se efectuaron estos

experimentos Este hecho estariacutea indicando que en las soluciones acuosas utilizadas en esta

parte del estudio en ambos metales predominariacutean especies catioacutenicas y eventualmente

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1) Butler B Ranville J Ross P ldquoObserved and modeled seasonal trends in dissolved and

particulate Cu Fe Mn and Zn in a mining-impacted streamrdquo Water Research 42 3135 ndash

3145 (2008)

2) Malmstroumlma M Berglund S Jarsjo Jrdquo Combined effects of spatially variable flow and

mineralogy on the attenuation of acid mine drainage in groundwaterrdquo Applied

Geochemistry 23 1419ndash1436 (2008)

3) Bilek F ldquoPrediction of ground water quality affected by acid mine drainage to

accompany in situ remediation Transaction of Institution of Mining and Metallurgy

Section B Applied Earth Science 113 B31-B42 (2004)

4) Comisioacuten Nacional del Medio Ambiente Decreto Supremo Ndeg 902000 del Ministerio

Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

containing acidic organophosphorus extractantsrdquo Proc Nat Sci Counc ROC(A) 23 353-

364 (1999)

10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 53: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

neutras respecto a las anioacutenicas factibles de ser extraiacutedas Sin embargo es posible apreciar

en el caso del ion cinc una leve pero clara mejor extraccioacuten en medio cloruro respecto a

soluciones sulfuacutericas Este hecho y resultados experimentales obtenidos en trabajos

anteriores de este grupo de investigacioacuten35) motivaron a efectuar algunos experimentos de

extraccioacuten de Zn(II) desde soluciones acuosas con contenidos variables y crecientes de

NaCl En todos los experimentos se utilizaron soluciones de ambos metales cuyo contenido

fue ajustado en 50mgL En la Tabla 27 se presentan las condiciones en que se efectuaron

los experimentos y los resultados obtenidos

Tabla 27 Extraccioacuten de Cu(II) y Zn(II) con microcaacutepsulas con Aliquat 336 variando concentracioacuten de cloruro en el medio

Cantidad metal extraiacutedo[mgL]

mol metal extmol Aliquat 336

metal extraiacutedo

Cu+1gL NaCl 700 1538E-02 1548Cu+10gL NaCl 653 1435E-02 1322Cu+50gL NaCl 440 9669E-03 876Cu+100gL NaCl 448 9845E-03 903Cu+300gL NaCl 2775 6098E-02 5592Zn+1gL NaCl 558 1192E-02 1113Zn+10gL NaCl 2782 5941E-02 5170Zn+50gL NaCl 5140 1098E-01 9405Zn+100gL NaCl 5456 1165E-01 10000Zn+300gL NaCl 5423 1158E-01 10000

La extraccioacuten de cobre no varioacute mucho salvo en el caso en que se empleoacute un

exceso de concentracioacuten de ion cloruro (300 gL) condicioacuten bajo la cual no superoacute el 55

de adsorcioacuten Sin embargo la extraccioacuten de Zn(II) alcanzoacute valores praacutecticamente

cuantitativos incluso con contenidos de ion Cl- de 50 gL confirmando que bajo estas

condiciones este metal formariacutea especies complejas del tipo ZnCl42- faacutecilmente extraiacutebles

por la sal de amonio cuaternario de acuerdo a la siguiente ecuacioacuten

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] )()(23321101784)(332110178)(24 22 ACOrgOrgAC ClNCHHCHCZnClClNCHHCHCZnCl minus+minus+minus +sdothArr+ (11)

Donde (AC) y (Org) denotan fase acuosa y fase orgaacutenica respectivamente Es decir los

diferentes resultados de adsorcioacuten de ambos metales pueden explicarse por la distinta

probabilidad de encontrar especies complejas del tipo anioacutenicas para ambos metales en

soluciones acuosas siendo esta claramente favorable para complejos clorados de cinc

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1) Butler B Ranville J Ross P ldquoObserved and modeled seasonal trends in dissolved and

particulate Cu Fe Mn and Zn in a mining-impacted streamrdquo Water Research 42 3135 ndash

3145 (2008)

2) Malmstroumlma M Berglund S Jarsjo Jrdquo Combined effects of spatially variable flow and

mineralogy on the attenuation of acid mine drainage in groundwaterrdquo Applied

Geochemistry 23 1419ndash1436 (2008)

3) Bilek F ldquoPrediction of ground water quality affected by acid mine drainage to

accompany in situ remediation Transaction of Institution of Mining and Metallurgy

Section B Applied Earth Science 113 B31-B42 (2004)

4) Comisioacuten Nacional del Medio Ambiente Decreto Supremo Ndeg 902000 del Ministerio

Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

containing acidic organophosphorus extractantsrdquo Proc Nat Sci Counc ROC(A) 23 353-

364 (1999)

10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 54: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

respecto de cobre en soluciones en medio cloruro Es decir este resultado confirma que la

actividad quiacutemica de los extractantes depende de la composicioacuten de la solucioacuten acuosa que

contiene los iones metaacutelicos a extraer en particular de la especiacioacuten de los metales a

adsorber Por tanto la microencapsulacioacuten de extractantes constituiriacutea una alternativa

promisoria de tratamiento soluciones acuosas diluidas contaminadas o que contienen

metales pesados conjugando las ventajas del uso de estructuras soacutelidas (las microcaacutepsulas)

faacuteciles de separar de las soluciones a tratar mediante filtracioacuten convencional y las ventajas

del empleo de extractantes liacutequidos inmovilizadas en ellas que presentan una alta capacidad

de carga y selectividad de los metales de intereacutes

En general podemos indicar tambieacuten que en todos los casos estudiados no se

observoacute peacuterdida de extractante desde las microcaacutepsulas bajo las condiciones de acidez en

las cuales se realizaron los experimentos probablemente debido a la hidrofobicidad de los

extractante orgaacutenicos que impide o desfavorece su movilidad en la matriz soacutelida

Este punto estaacute siendo estudiado con detencioacuten en nuevos estudios como asiacute

tambieacuten la determinacioacuten de las maacuteximas capacidades de adsorcioacuten de cada tipo de

microcaacutepsulas empleando modelos e isotermas del tipo Langmuir o Freundlich Es de

maacuteximo intereacutes tambieacuten el estudio del anaacutelisis del posible mecanismo de adsorcioacuten de los

metales en las microesferas basado en un proceso de transferencia de masa con reaccioacuten

quiacutemica

La aplicacioacuten praacutectica de esta metodologiacutea de microencapsulacioacuten de extractantes

en tratamientos de aguas residuales de origen industrial yo minero requieren ambas cosas

a) una buena encapsulacioacuten y retencioacuten del extractante en la matriz polimeacuterica y b) una

eficiente actividad quiacutemica del extractante hacia el metal a remover o recuperar Todos los

resultados de esta Memoria se deben analizar globalmente analizando ambos aspectos

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1) Butler B Ranville J Ross P ldquoObserved and modeled seasonal trends in dissolved and

particulate Cu Fe Mn and Zn in a mining-impacted streamrdquo Water Research 42 3135 ndash

3145 (2008)

2) Malmstroumlma M Berglund S Jarsjo Jrdquo Combined effects of spatially variable flow and

mineralogy on the attenuation of acid mine drainage in groundwaterrdquo Applied

Geochemistry 23 1419ndash1436 (2008)

3) Bilek F ldquoPrediction of ground water quality affected by acid mine drainage to

accompany in situ remediation Transaction of Institution of Mining and Metallurgy

Section B Applied Earth Science 113 B31-B42 (2004)

4) Comisioacuten Nacional del Medio Ambiente Decreto Supremo Ndeg 902000 del Ministerio

Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

containing acidic organophosphorus extractantsrdquo Proc Nat Sci Counc ROC(A) 23 353-

364 (1999)

10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 55: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

5 CONCLUSIONES

En la presente Memoria para optar al Tiacutetulo de Quiacutemico se estudioacute la recuperacioacuten

de cobre y cinc desde soluciones acuosas aacutecidas que simulan a las soluciones de drenajes

aacutecidos de mina y residuos liacutequidos industriales mediante la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes no especiacuteficos En base a los resultados experimentales

obtenidos y a su respectiva discusioacuten se puede concluir lo siguiente

I En relacioacuten al extractante PC-88A

1 El procedimiento de siacutentesis de microcaacutepsulas resultoacute ser sencillo y de alta eficiencia

aumentando el rendimiento de siacutentesis a medida que se utiliza maacutes extractante no

siendo afectado al variar la velocidad de agitacioacuten durante el proceso

2 La determinacioacuten del extractante encapsulado fue determinado por titulacioacuten

potenciomeacutetrica meacutetodo simple y eficaz La variacioacuten en la cantidad de extractante

utilizado en la siacutentesis como la variacioacuten de la velocidad de agitacioacuten no son factores

que afectaron la cantidad de extractante encapsulado obtenieacutendose una cantidad

porcentual constante para todos los casos

3 A medida que aumenta la cantidad de extractante utilizada en la siacutentesis y al aumentar

la velocidad de agitacioacuten en el reactor se observoacute una disminucioacuten en el tamantildeo de

las microesferas obtenidas

4 La extraccioacuten de cinc observada con este compuesto alquilfosfoacuterico fue superior a la

obtenida con cobre tanto en sus aspectos de equilibrio y cineacuteticos resultado

coherente con la actividad quiacutemica de este extractante en soluciones acuosas aacutecidas

Para ambos metales se determinoacute una maacutexima extraccioacuten con aquellas microcaacutepsulas

que fueron preparadas con un 30 de eacutel (288 g PC-88A) respecto a la masa total de

sustratos orgaacutenicos utilizados en la siacutentesis Ademaacutes se observoacute en general que la

adsorcioacuten de ambos metales aumentoacute al realizar las pruebas metaluacutergicas con

microesferas preparadas a una mayor velocidad de agitacioacuten hecho que puede

relacionarse con el menor tamantildeo obtenido de las MCs sintetizadas

5 Los resultados de este estudio demuestran que se requieren tiempos breves para

alcanzar el equilibrio de extraccioacuten de los metales con el extractante activo

inmovilizado en la MC Este hecho es consistente con la raacutepida cineacutetica que los

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1) Butler B Ranville J Ross P ldquoObserved and modeled seasonal trends in dissolved and

particulate Cu Fe Mn and Zn in a mining-impacted streamrdquo Water Research 42 3135 ndash

3145 (2008)

2) Malmstroumlma M Berglund S Jarsjo Jrdquo Combined effects of spatially variable flow and

mineralogy on the attenuation of acid mine drainage in groundwaterrdquo Applied

Geochemistry 23 1419ndash1436 (2008)

3) Bilek F ldquoPrediction of ground water quality affected by acid mine drainage to

accompany in situ remediation Transaction of Institution of Mining and Metallurgy

Section B Applied Earth Science 113 B31-B42 (2004)

4) Comisioacuten Nacional del Medio Ambiente Decreto Supremo Ndeg 902000 del Ministerio

Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

containing acidic organophosphorus extractantsrdquo Proc Nat Sci Counc ROC(A) 23 353-

364 (1999)

10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 56: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

extractantes comerciales como el PC-88A presentan incluso en plantas industriales

SX

6 Del estudio cineacutetico aplicado se constatoacute que el proceso de quimiosorcioacuten de cobre y

cinc mediante microencapsulacioacuten del extractante fosforado estaacute regido por un

modelo cineacutetico de pseudo-segundo orden El modelo tambieacuten confirmoacute la mayor

selectividad de este extractante hacia Zn(II) respecto a Cu(II) Igualmente se

determinoacute que MCs sintetizadas a una mayor velocidad de agitacioacuten permiten

alcanzar el equilibrio de adsorcioacuten en tiempos menores

II En relacioacuten a los otros extractantes utilizados

1 La produccioacuten de microesferas resultoacute ser de alta eficiencia para los extractantes

aacutecidos D2EHPA de solvatacioacuten TOPO y TBP y la sal de amonio cuaternaria Aliquat

336 Se obtuvieron menores rendimientos con los compuestos baacutesicos Alamine 336 y

TOA y no se lograron microesferas con el extractante quelante LIX 84-I

2 La determinacioacuten de los extractantes encapsulados se realizoacute en forma sencilla para el

compuesto aacutecido fosfoacuterico mediante titulacioacuten potenciomeacutetrica y mediante

argentometriacutea para la sal de amonio cuaternario Se intentoacute determinar el contenido de

extractantes solvatantes mediante una teacutecnica de espectrofotometriacutea UV sin embargo

los resultados no fueron satisfactorios hecho que no impidioacute realizar pruebas

metaluacutergicas con ellas

3 La adsorcioacuten de Cu y Zn con TOPO y TBP resultaron ser de baja eficiencia hecho

debido probablemente a que ambos compuestos solvatantes extraeriacutean especias

neutras Se aplicoacute a los resultados obtenidos modelos de equilibrio de adsorcioacuten de

Freundlich y Langmuir los cuales soacutelo explican los resultados a muy bajas

concentraciones del metal

4 La extraccioacuten de Zn(II) y Cu(II) con las microcaacutepsulas sintetizadas con D2EHPA (di-

eacutester fosfoacuterico) presentaron resultados similares a los obtenidos utilizando PC-88A

(mono-ester fosfoacutenico) hecho explicado por tratarse de extractantes que presentan

una estructura quiacutemica muy similar La adsorcioacuten quiacutemica de estos metales con

Aliquat 336 (sal de amonio cuaternario) ocurre mediante intercambio anioacutenico dado

el caraacutecter formador de pares ioacutenicos de este compuesto Este hecho explica la alta

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1) Butler B Ranville J Ross P ldquoObserved and modeled seasonal trends in dissolved and

particulate Cu Fe Mn and Zn in a mining-impacted streamrdquo Water Research 42 3135 ndash

3145 (2008)

2) Malmstroumlma M Berglund S Jarsjo Jrdquo Combined effects of spatially variable flow and

mineralogy on the attenuation of acid mine drainage in groundwaterrdquo Applied

Geochemistry 23 1419ndash1436 (2008)

3) Bilek F ldquoPrediction of ground water quality affected by acid mine drainage to

accompany in situ remediation Transaction of Institution of Mining and Metallurgy

Section B Applied Earth Science 113 B31-B42 (2004)

4) Comisioacuten Nacional del Medio Ambiente Decreto Supremo Ndeg 902000 del Ministerio

Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

containing acidic organophosphorus extractantsrdquo Proc Nat Sci Counc ROC(A) 23 353-

364 (1999)

10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 57: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

extraccioacuten de Zn(II) desde una solucioacuten acuosa de alta concentracioacuten de cloruro al

predominar en ella las especies anioacutenicas del metal del tipo ZnCl42-

Como conclusioacuten global se puede indicar decir que la metodologiacutea de

microencapsulacioacuten de extractantes es muy promisoria y de alta aplicacioacuten en el

tratamiento de remocioacuten yo recuperacioacuten de metales pesados desde soluciones acuosas

aacutecidas diluidas Esto debido a las ventajas que presentariacutea frente a otro tipo de

metodologiacuteas entre ellas la de requerir una baja cantidad de extractante y emplear

monoacutemeros comerciales y de bajo costo Desde un punto de vista operacional su siacutentesis es

simple su empleo en columnas continuas seriacutea eficiente y la separacioacuten de las MCs

cargadas con el metal de las soluciones refinos se puede efectuar faacutecilmente mediante

filtracioacuten convencional

La variedad de extractantes que pueden ser encapsulados en ellas permitiraacute tambieacuten

un amplio rango de aplicacioacuten para el tratamiento de muchas soluciones de diferente

origen hecho de gran intereacutes para el grupo de estudio del Laboratorio de Operaciones

Unitarias e Hidrometalurgia de nuestra Facultad

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1) Butler B Ranville J Ross P ldquoObserved and modeled seasonal trends in dissolved and

particulate Cu Fe Mn and Zn in a mining-impacted streamrdquo Water Research 42 3135 ndash

3145 (2008)

2) Malmstroumlma M Berglund S Jarsjo Jrdquo Combined effects of spatially variable flow and

mineralogy on the attenuation of acid mine drainage in groundwaterrdquo Applied

Geochemistry 23 1419ndash1436 (2008)

3) Bilek F ldquoPrediction of ground water quality affected by acid mine drainage to

accompany in situ remediation Transaction of Institution of Mining and Metallurgy

Section B Applied Earth Science 113 B31-B42 (2004)

4) Comisioacuten Nacional del Medio Ambiente Decreto Supremo Ndeg 902000 del Ministerio

Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

containing acidic organophosphorus extractantsrdquo Proc Nat Sci Counc ROC(A) 23 353-

364 (1999)

10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 58: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

6 REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

1) Butler B Ranville J Ross P ldquoObserved and modeled seasonal trends in dissolved and

particulate Cu Fe Mn and Zn in a mining-impacted streamrdquo Water Research 42 3135 ndash

3145 (2008)

2) Malmstroumlma M Berglund S Jarsjo Jrdquo Combined effects of spatially variable flow and

mineralogy on the attenuation of acid mine drainage in groundwaterrdquo Applied

Geochemistry 23 1419ndash1436 (2008)

3) Bilek F ldquoPrediction of ground water quality affected by acid mine drainage to

accompany in situ remediation Transaction of Institution of Mining and Metallurgy

Section B Applied Earth Science 113 B31-B42 (2004)

4) Comisioacuten Nacional del Medio Ambiente Decreto Supremo Ndeg 902000 del Ministerio

Secretaria General de la Presidencia ldquoNorma de Emisioacuten para la Regulacioacuten de

Contaminantes Asociados a las Descargas de Residuos Liacutequidos a Aguas Marinas y

Continentales Superficialesrdquo

5) Keng X Jiankang W Yixin H and Renman R ldquoSelective separation of Cu(II)

Zn(II) and Cd(II) by solvent extractionrdquo Rare Metals ndeg3 27 228 (2008)

6) Domic E ldquoExtraccioacuten por solvente-SXrdquo in Int Ingenieros minas de Chile (eds)

Hidrometalurgia Fundamentos Procesos y aplicaciones 444-521 (Andros Impresores

Santiago Chile) 2001

7) Valenzuela F Andrade J Sapag J Tapia Cand Basualto C ldquo The solvent extraction

separation of molybdenum and copper from acid leach residual solution of chilean

molybdenite concentraterdquo Minerals Engineering 8 893-904 (1995)

8) Alexandratos S D Ripperger K P ldquoSynthesis and characterization of high-stability

solvent-impregnated resinsrdquo Ind Eng Chem Res 37 4756-4760 (1998)

9) Juang R S ldquoPreparation properties and sorption behavior of impregnated resins

containing acidic organophosphorus extractantsrdquo Proc Nat Sci Counc ROC(A) 23 353-

364 (1999)

10) Li N Cahn R Naden D and Lai R ldquoLiquid membrane processes for copper

extractionrdquo Hidrometallurgy 9 277-305 (1983)

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 59: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

11) Valenzuela F Araneda C Vargas F Basualto C Sapag J ldquoLiquid membrane

emulsion process for recovering the copper content of a mine drainagerdquo Chemical

Engineering Research and Design aceptado para publicacioacuten (2008)

12) Valenzuela F Cabrera J Basualto C Sapag-Hagar J ldquoKinetics of copper removal

from acidic mine drainageby a liquid emulsion membranerdquo Minerals Engineering 18

1224ndash1232 (2005)

13) Nishihama S Sakaguchi N Hirai T Komasawa I ldquoExtraction and separation of rare

earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acidrdquo

Hydrometallurgy 64 35ndash42 (2002)

14) Kamio E Matsumoto M Valenzuela F Kondo K ldquoSorption behavior of Ga(III) and

In(III) into a microcapsule containing long-chain alkylphosphonic acid monoesterrdquo

Industrial and Engineering Chemistry Research 44 2266-2272 (2005)

15) Yang WW Luo GS Gong XC ldquoExtraction and separation of metal ions by a

column packed with polystyrene microcapsules containing Aliquat 336rdquo Separation and

Purification Technology 43 175ndash182 (2005)

16) Ochoa NA Illanes C Marchese J Basualto C Valenzuela F ldquoPreparation and

characterization of polymeric microspheres for Cr(VI) extractionrdquo Separation and

Purification Technology 52 39ndash45 (2006)

17) Valenzuela F Yazdani-Pedram M Araneda C Basualto C Kamio E and Kondo K

ldquoZn(II) and Cu(II) uptake from acid solutions with microcapsules containing a nonspecific

alkyl phosphonic extractantrdquo J Chil Chem Soc 50 711-714 (2005)

18) Kamio E Fujiwara Y Matsumoto M Valenzuela F and Kondo K

rdquoInvestigation on Extraction Rate of Lanthanides with Extractant-Impregnated

Microcapsulerdquo Chemical Engineering Journal 139 93-105 (2008)

19) Kamio E Matsumoto M and Kondo K ldquoExtraction mechanism of rare metals with

microcapsules containing organophosphorus compoundsrdquo Journal of Chemical

Engineering 35 178-185 (2005)

20) Ali Khan Rao R Ali Khan M ldquoRemoval and recovery of Cu(II) Cd(II) and Pb(II)

ions from single and multimetal systems by batch and column operation on neem oil cake

(NOC)rdquo Separation and Purification Technology 57 394ndash402 (2007)

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 60: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

21) Kondo K Matsumoto M and Kamio E ldquoKinetic investigation of metal sorption into a

microcapsulerdquo Department of Chemical Engineering and Materials Science Doshisha

University

22) Kiyoyama S Yonemura S Yoshida M Shiomori K Yoshizawa H Kawano Y

Hatate Y ldquoExtraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-

n-octylamine as the extractantrdquo Reactive amp Functional Polymers 67 522ndash528 (2007)

23) Vogel A ldquoQuiacutemica Analiacutetica Cuantitativardquo 1 351-354 (1960)

24) Cortina J L Miralles N A Sastre M Aguilar M ldquoSolid-liquid extraction studies of

Zn(II) Cu(II) and Cd(II) from chloride media with impregnated resins containing mixtures

of organophosphorus compounds immobilized on to Amberlite XAD2rdquo Hydrometallurgy

37 301-322 (1995)

25) Sato Y Valenzuela F Tsuneyuki T Kondo K Nakashio F Extraction equilibrium

of molybdenum (VI) with 2-ethyl-hexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester

Journal of Chemical Engineering of Japan 20 317-321 (1987)

26) Bruce RL Broadwood NV ldquoKinetics of wool dyeing with acid dyesrdquo Textile Research

Journal 70(6) 525-531 (2000)

27) Chairat M Rattanaphani S Bremner J B Rattanaphani V ldquoAdsorption kinetic study

of lac dyeing on cottonrdquo Dyes and Pigments 76 435-439 (2008)

28) I-Hsien Lee Yu-Chung Kuan Jia-Ming Chern ldquoEquilibrium and kinetics of heavy

metal ion exchangerdquo Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers 38 71ndash84

(2007)

29) Araneda C Fonseca C Sapag J Basualto C Yazdani-Pedram M Kondo K Kamio

E Valenzuela F ldquoRemoval of metal ions from aqueous solutions by sorption onto

microcapsules prepared by copolymerization of ethylene glycol dimethacrylate with

styrenerdquo Separation and Purification Technology aceptado para publicacioacuten (2008)

30) Malkoc E Nuhoglu Y ldquoDetermination of kinetic and equilibrium parameters of the

batch adsorption of Cr(VI) onto waste acorn of Quercus ithaburensisrdquo Chemical

Engineering and Processing 46 1020ndash1029 (2007)

31) Vasconcelos H Faacutevere V Goncalves N Laranjeira M ldquoChitosan modified with

Reactive Blue 2 dye on adsorption equilibrium of Cu(II) and Ni(II) ionsrdquo Reactive amp

Functional Polymers 67 1052ndash1060 (2007)

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)

Page 61: UNIVERSIDAD DE CHILErepositorio.uchile.cl/tesis/uchile/2008/canales_j/sources/canales_j.pdf · por su preocupación y apoyo durante todo el proceso de mis estudios superiores. A quienes

32) Barkat M Nibou D Chegrouche S Mellah A ldquoKinetics and thermodynamics studies

of chromium (VI) ions adsorption onto activated carbon from aqueous solutionsrdquo Chemical

Engineering and Processing (2007)

33) Goumlk Ouml Oumlzcan A Erdem B Safa Oumlzcan A ldquoPrediction of the kinetics equilibrium

and thermodynamic parameters of adsorption of copper(II) ions onto 8-hydroxy quinoline

immobilized bentoniterdquo Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects 317 174ndash

185 (2008)

34) Vargas F Tesis de Pregrado Universidad de Chile ldquoEstudio comparativo de un sistema

de extraccioacuten de metales desde soluciones acuosas aacutecidas mediante membranas liacutequidas

emulsificadas y mediante microencapsulacioacuten de extractantesrdquo Proyecto Fondecyt Nordm

1040567 (2007)

35) Basualto C Poblete M Marchese J Ochoa A Acosta A Sapag J and Valenzuela F

ldquoExtraction of cadmium from aqueous solutions by emulsion liquid membranes using a

stirred transfer cell contactorrdquo Journal of Brazilian Chemical Society 17 1347-1354

(2006)