ESTUDIO DEL PROCESO DE TRANSFERENCIA MASA EN MEMBRANAS ... · transferencia de masa de iones...
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ESTUDIO DEL PROCESO DE TRANSFERENCIA MASA EN MEMBRANAS
LÍQUIDAS SOPORTADAS
Abril 16, 2013
Mario Avila-RodríguezDiana Fabiola Cholico GonzálezMaría del Pilar González MuñozMireya Edith Martínez PérezJosé Antonio Reyes Aguilera
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MOSTRAR LOS DIFERENTES ASPECTOS QUE DEBEN SER CONSIDERADOS EN EL
ÁNALISIS DEL PROCESO DE TRANSFERENCIA DE MASA DE IONES
METÁLICOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS LÍQUIDAS SOPORTADAS
OBJETIVO
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• Breve introducción sobre las membranas líquidas
• Aspectos fundamentales del proceso de transferencia de masa
• Ejemplos• Sistemas de extracción con
extractantes solvatantes• Sistemas de extracción con líquidos
iónicos
PLAN DE LA PRESENTACIÓN
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TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE IONES METÁLICOS
• PRECIPITACIÓN ALCALINA
• EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
• EXTRACCIÓN LÍQUIDO-SÓLIDO
• MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS
• TÉCNICAS DE MEMBRANA (SÓLIDAS)
• MEMBRANAS LÍQUIDAS
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TIPOS DE MEMBRANAS LÍQUIDAS
o MEMBRANAS DE BULTO
o MEMBRANAS LÍQUIDAS
SOPORTADAS
o MEMBRANAS LÍQUIDAS
EMULSIONADAS
ALIMENTACIALIMENTACIÓÓNN DESPOJODESPOJO
FASE EXTERNAFASE EXTERNA
FASE MEMBRANAFASE MEMBRANAFASE INTERNAFASE INTERNA
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VENTAJAS DE LAS MEMBRANAS LÍQUIDAS
o El proceso de extracción y desextracción es
llevado a cabo de manera simultánea.
o No se requiere alcanzar el equilibrio.
o La transferencia entre dos líquidos es mas
rápida.
o El volumen de frase orgánica es mucho
menor que en extracción líquido-líquido.
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METODOLOGÍA MLS
Impregnado por 60 min
Escurrimiento por 30 min
Medidas de ángulo de contacto y
Determinación de la concentración del ione
metálico por AA
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ALIMENTACIALIMENTACIÓÓNN
DESPOJODESPOJO
MEMBRANA LIQUIDAMEMBRANA LIQUIDA
1122
3344
55
66
Transporte a través de una MLS
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1.- Difusión del ión metálico M(III) a través de la capa límite de difusión en interfase soln. Alimentación-membrana.
2.- Reacción química entre M(III) y extractante en la fase orgánica.
3.- Difusión del complejo M(III)-Cyanex 921 a través de la MLS.
4.- Reacción de desextracción de M(III).
5.- Difusión de M(III) a través de la capa límite de difusión en interfase membrana-soln. despojo.
Proceso global de transferencia de masa
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Mecanismos propuestos
1.- Cotransporte en el que tanto el ion metálico como el contraion son transportados desde la solución de alimentación, a través de la MLS a la solución de despojo.
2.- Contratransporte: en la cual el acarreador ácido HC, pierde un protón y forma un complejo MC con el ion metálico en la interface entre la solución de alimentación y la MLS.
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Aspectos básicos a considerar
* Aspectos químicos (datos de extracción líquido-líquido)
* Afinidad del extractante por la especie a extraer
* Afinidad de la especie a extraer por la fase de desextracción
* Impregnación efciente del extractante en la membrana
•Aspectos hidrodinámicos
• Viscosidad
• Velocidad de agitación
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CARACTERIZACIÓN DEL SOPORTE Y DE LA MLS
ANGULO DE CONTACTO DEL SOPORTE
PVDF HIDRÓFILO72.9º
PVDF HIDRÓFOBO143.1º
PTFE111.7º
ANGULO DE CONTACTO DE MLS ANTES DE LA TRANSFERENCIA
PVDF HIDRÓFILO33.4º (32.6)
PVDF HIDRÓFOBO36.5º (31.8)
PTFE33.9º
Membranas impregnadas con Cyphos IL 101
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Pérfiles de extracciónExtracción de As(V). Membrana PVDF impregnada con Cyanex 921 0.1 mol/I.Solución de alimentación H2SO4 2 mol/L. Solución de despojo H2SO4 2 mol/L
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Pérfiles de extracciónExtracción de Fe(III). Membrana PVDF impregnada con Cyphos IL 101
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Pérfiles de extracciónExtracción de Sb(III) y Cu(II). Membrana PVDF impregnada con Cyanex 921
0
50
100
150
200
250
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660
min
[Sb(
III)]
ppm
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Vdx kaXt
ln XXo
ka tV
3.00E-084.00E-085.00E-086.00E-087.00E-08
8.00E-089.00E-081.00E-071.10E-07
200 700 1200 1700
Vel agl. rpm
ka (m
/s)*
m2
difusión
Cinéticaquímica
Para la determinación del régimen de transferencia se calcula elproducto ka (coef. de transferencia de masa por el área) partiendode un balance de materia de As(V)
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Aspectos QuímicosNaturaleza de la solución de despojo
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TRANSPORTE DE H+
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TRANSPORTE DE H2O
180 min
Variación de la concentración de agua en función del tiempo. FO: Cyphos IL 101 1.6 mol L-1
FA: HCl 2 mol L-1
14%
Marták y col. 2007
Fortunato y col. 2005• Transporte soluto• Transporte de H2O
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PERMEABILIDAD
y = -0.2060x
y = -0.2351xy = -0.2479x
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
00 1 2 3 4 5 6 7
t(Q/V) min/cmln
[B
i(III)
]t / [
Bi(I
II)]0
HCl 0.2 mol L-1
HCl 0.5 mol L-1
HCl 1 mol L-1
tVQP
)]III(Bi[)]III(Bi[ln
0
t
Donde:P Permeabilidad de la MLSQ Área efectiva de contacto MLS (cm2)V Volumen solución (cm3)t tiempo (min)
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PERMEABILIDAD
Variación de ln [Fe(III)]t/[Fe(III)]0 en función de (Q/V)t. Alimentación: [Fe(III)] = 10 mg L-1 en HCl 2 mol L-1. Despojo: H2SO4 0.2 mol L-1(), Na2SO4 0.01 mol L-1 (), Na2SO4 0.2 mol L-1 (). MLS: Soporte PVDF
Hidrófobo impregnado con Cyphos IL 101 1.6 mol L-1
t
VQP
IIIFeIIIFe t
0][][ln
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PERMEABILIDAD
y = -0.139xR2 = 0.969
y = -0.393xR2 = 0.949
y = -0.138x – 0.37965R2 = 0.994
y = -0.057x – 0.939R2 = 0.961
Variación de ln [Fe(III)]t/[Fe(III)]0 en función de (Q/V)t. Alimentación: [Fe(III)] = 10 mg L-1 en HCl 2 mol L-1. Despojo: H2SO4 0.2 mol L-1. MLS: Soporte PVDF hidrófobo impregnado con Cyphos IL 101 1.6 mol L-1.
Primer experimento (), Segundo experimento ()
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EFECTO DE LA TEMPERATURA
La variación de la temperatura tiene un efecto sobre la viscosidad del líquido impregnado en la membrana, afectando el flujo viscoso y por
consecuencia la permeabilidad
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Transferencia de masa
Primera Ley de Fick
2dxCD
dtC MC
MCMC
Segunda Ley de Fick
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CONCLUSIONES
El proceso de transferencia de masa de una especie a través de una MLS implica una serie de fenómenos tanto químicos como hidrodinámicos que deben de ser considerados en el estudio de los sistemas, los cuales pueden ser en algunos casos de complejidad elevada.
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GRACIAS