Remoción de cadmio presente en aguas de desecho de la industria metal-mecánica mediante membranas líquidas emulsificadas en extractores del tipo estanque agitado en proceso batch

Abstract

El presente trabajo corresponde a la segunda etapa del proyecto FONDECYT Nº 1040567, consistente en el estudio de la remoción de cadmio (II) por medio de Membranas Líquidas Emulsificadas (MLE) desde una solución acuosa que simula una solución residual industrial. Este tipo de soluciones requieren ser tratadas previo a su descarga al sistema público municipal. La extracción del metal se realizó en un reactor discontinuo del tipo Tanque Agitado en Batch (TAB), que simula uno de uso industrial, con el propósito de optimizar el grado de transporte y la concentración de los metales en función de las variables que afectan al proceso, tanto de tipo químico como hidrodinámico. El mecanismo de transporte del metal en la MLE considera un fenómeno de transferencia de masa con reacción química. La extracción consistió en agitar el sistema de doble emulsión o Membrana Líquida Emulsionada (MLE) donde la alimentación (fase acuosa externa), que contenía cantidades variables de cadmio disuelto, se contactó con una emulsión primaria. De la fase acuosa de alimentación se tomaron pequeñas porciones de muestra cada cierto tiempo para seguir el avance del proceso de extracción del cadmio. En todos los experimentos la emulsión primaria estuvo constituida por una fase orgánica, que a su vez fue formada por el extractante o transportador más el agente tensoactivo disueltos en kerosene, y la solución acuosa de retroextracción o stripping. La doble emulsión o MLE se formó al suspender esta emulsión primaria en la fase acuosa de alimentación. El agente extractante o transportador de cadmio utilizado fue el ácido di(2- etilhexil)fosfórico, extractante orgánico de nombre comercial D2EHPA, en diferentes concentraciones. Como agente tensoactivo capaz de estabilizar la emulsión se empleó el agente comercial Span-80, cuya especie activa es el monooleato de sorbitan. En tanto que, como fase acuosa interna de retroextracción o stripping se emplearon soluciones concentradas de ácido clorhídrico. Dentro de las variables químicas estudiadas, que influían en el proceso de transporte de los metales en el TAB, se consideraron: pH y el contenido de cadmio en la fase acuosa de alimentación inicial, las concentraciones de tensoactivo y D2EHPA en la fase orgánica o fase membrana y la concentración de ácido clorhídrico en la fase acuosa de stripping. Mientras que las variables hidrodinámicas fueron las velocidades de agitación de las emulsiones primaria y secundaria. En los experimentos iniciales se observó que era necesario utilizar un agente regulador del pH a un valor de aproximadamente 5. Para ello se utilizaron concentraciones variables del tampón ácido acético/acetato de sodio. Se determinó que en las condiciones óptimas para la extracción de cadmio, cuya concentración inicial era de 0,001 M en la fase de alimentación, se logró sobre el 97% de extracción. Estas condiciones óptimas fueron: concentraciones de 0,015 M de D2EHPA y 5 % de Span80 en la fase orgánica, 0,025 M de acetato de sodio para el buffer en la alimentación, 1,5 M de HCl en la fase acuosa de stripping y las velocidades de agitación de 1500 rpm y 360 rpm, para las emulsiones primaria y secundaria respectivamente. Se determinó, también, que el óptimo de extracción se logró a tiempos de experimentos entre 10 y 15 minutos aproximadamente dependiendo del caso. La etapa de retroextracción es determinante en la extracción del cadmio desde la fase acuosa de alimentación, lo que nos permite inferir que el cadmio se está transportando en un importante grado hacia la fase acuosa interna de stripping. De este modo se demostró que las MLE son una tecnología adecuada para la extracción de cadmio desde una fase acuosa, promisoria para una aplicación industrial, tanto por el ahorro de extractante como por el menor número de etapas utilizadas al efectuar en un paso la extracción y la retroextracción.

The present work corresponds to the second stage of the Research Project FONDECYT N º 1040567, consisting in the removal of cadmium (II) by the use of Emulsified Liquid Membranes (ELM) from an aqueous solution which represents an industrial residual solution. This type must be treated before being delivered on the public municipal system. The metal extraction was carried out in a discontinuous reactor of Batch Agitated Tank (BAT) type, which represents one of industrial use, with the objective of optimizing the metal transport degree and concentration according to the variables affecting the process, both of chemical and the hydrodynamic type. The mechanism of the metal transport in the ELM takes in a mass transfer phenomenon with chemical reaction. The extraction consisted in agitating the double emulsion system or Emulsified Liquid Membrane (ELM) where the feed solution (aqueous external phase), which was containing variable quantities of dissolved cadmium, was contacted with a primary emulsion. From the aqueous feed phase small samples were taken periodically in order to follow the advance of the cadmium extraction process. In all the experiments the primary emulsion was composed of an organic phase, which in turn was formed by the extractant or carrier and surfactant agent both dissolved in kerosene, and the stripping aqueous solution. The double emulsion or ELM was carried out by suspending this primary emulsion in the aqueous feed phase. The extractant agent or cadmium carrier used was the di(2-etilhexil) phosphoric acid, an organic extractant with the trade name D2EHPA, at different concentrations. Commercial agent Span-80 was used as a tensoactive capable of stabilizing the emulsion and which active component is the sorbitan monooleate. As internal aqueous phase or stripping phase concentrated hydrochloric acid solutions were used. Among the studied chemical variables influencing the transport process of the metals in the TAB, the following were considered: initial pH and cadmium content in the aqueous feed solution, the tensoactive and D2EHPA concentrations in the organic or membrane phase and the hydrochloric acid concentration in the aqueous stripping phase. On the other hand, the hydrodynamic variables studied were the stirring speeds for the primary and secondary emulsions. At the initial experiments it was observed that of a pH regulator to a pH value approximately 5 was necessary. For this purpose different concentrations of acetic acid / sodium acetate buffer were used. It was established that at the best conditions for the cadmium extraction from an initial 0,001 M concentration in the feed phase a 97 % extraction was achieved. These best conditions were: concentration 0,015 M for D2EHPA and 5 % for Span 80 in the organic phase, 0,025 M of sodium acetate for the buffer in the feed solution, 1,5 M for HCl in the aqueous stripping solution and the stirring speeds of 1500 rpm and 360 rpm for the primary and secondary emulsions, respectively. In addition of these conditions it was determined that the best extraction was achieved at times between 10 and 15 minutes, approximately, depending on the case. The stripping stage was decisive in the cadmium extraction from the aqueous feed phase, which allows us to infer that the cadmium is carried at an important degree towards the stripping aqueous internal phase. So that it was demonstrated that the ELM is a suitable technology for the cadmium extraction from an aqueous phase, promissory for an industrial application and promissory for an industrial appliance as much for the extractant saving as for the less number of stages used by carrying out the extraction and stripping in only one step.