Estudio de la extracción de Cu(II) y Zn(II) desde soluciones acuosas ácidas mediante el empleo de membranas líquidas emulsificadas, microencapsulación de extractantes y silicatos de calcio nanoestructurados

Abstract

Se estudió la extracción de cobre (II) y cinc (II) desde soluciones acuosas que simulan drenajes ácidos de mina y residuos industriales líquidos mediante el empleo de tres metodologías: Membranas Líquidas Emulsificadas, Microencapsulación de Extractantes y Silicatos de Calcio Nanoestructurados. La separación de iones cinc desde una solución de drenajes ácidos de mina se estudió mediante la metodología de membranas líquidas emulsificadas preparadas con el extractante ácido 2-etilhexil fosfórico y el surfactante monooleato de sorbitan. Se observó un importante transporte de los iones cinc desde la solución de alimentación hacia la fase acuosa interna. La extracción de cinc fue afectada por el pH y la concentración de la fase acuosa de alimentación, la concentración del extractante y la concentración de la solución de retroextracción. Los resultados experimentales obtenidos se modelaron utilizando un mecanismo basado en un proceso mediante transporte facilitado y un modelo de reacción interfacial heterogénea, el cual considera la reacción química con el extractante en la interfase externa. El modelo explica consistentemente los resultados experimentales. La extracción de cinc y cobre se estudió mediante la microencapsulación de moléculas extractantes en una matriz polimérica de estireno y 1,4-divinilbenceno preparada por polimerización en suspensión vía radicales libres. Los extractantes ácidos 2-etilhexil éster del ácido 2-etilhexil fosfónico y 5-nonilsalicilaldoxima, y el extractante básico trioctilamina fueron inmovilizados en la matriz polimérica mediante polimerización ya sea con el extractante in situ o bien mediante impregnación por solventes. Las microcápsulas mostraron una morfología esférica, con diámetros que variaron entre 42,8 y 185,6 ㎛ y un tamaño de poro que varió entre 0,5 y 1,8 nm. Se determinó mediante titulación potenciométrica la cantidad de extractante retenido por las microcápsulas. Se empleó una solución acuosa diluida para el estudio de extracción de iones metálicos cobre y cinc. Estos iones metálicos fueron eficientemente extraídos desde la solución de alimentación y se recuperaron mediante su desorción con agentes apropiados en la etapa de retroextracción. La extracción de Cu (II) y Zn (II) aumentó al aumentar la concentración de extractante en la microcápsula y por su aplicación al pH adecuado. Desde un punto de vista cinético, se aplicó un modelo de pseudo-segundo orden para calcular la velocidad de adsorción y desde el punto de vista del equilibrio de adsorción, se analizaron los resultados obtenidos durante la microencapsulación de extractantes mediante los modelos de Langmuir y Freundlich, los cuales ajustan bien los resultados experimentales obtenidos. Finalmente se estudió la adsorción de cobre y cinc desde soluciones acuosas mediante la metodología de silicatos de calcio nanoestructurados. Este material presentó una alta capacidad y velocidad de adsorción. Se aplicó también un modelo cinético de pseudo-segundo-orden a los datos experimentales obtenidos, el cual explicó bien los valores obtenidos. El silicato de calcio fue eficientemente inmovilizado en papel durante la manufactura de cartuchos de filtración mediante el empleo de dos adhesivos: almidón y látex. La remoción de ambos metales desde la solución acuosa de alimentación mostró extracciones de hasta 90% para ambos metales, mediante el empleo de los sustratos recubiertos con silicatos de calcio. Los silicatos de calcio nanoestructurados están conformados por grupos silanoles los cuales actuarían como un sitio de nucleación permitiendo la precipitación de cobre y zinc en su superficie. En general se demostró que las tres metodologías estudiadas son promisorias y atractivas, siendo posible una eficiente extracción de estos iones metálicos desde las soluciones estudiadas.

The extractión of Cu (II) and Zn (II) from aqueous solutións that simulate acidic mine drainage and industrial residual waters by three different methodologies was studied: Emulsión Liquid Membrane, Microencapsulatión of Extractants and Adsorptión by a Nanostructured Calcium Silicate. The separatión of zinc ións from a mine drainage sample was studied by means of an Emulsión Liquid Membrane (ELM) prepared with di-2-ethylhexyl-phosphoric acid as carrier extractant and monooleate of sorbitan as surfactant compound. An important transport of zinc ións from the feed solutión to the stripping solutión was accomplished. The extractión of zinc was affected by the pH, the concentratión of the source phase, the extractant and the stripping solutión. The experimentally observed results were analyzed by a metal extractión kinetics mechanism, based on a facilitated transport model which considers the interfacial chemical reactión between the metal and the carrier at the external interface of the liquid membrane. The experimental results were fairly well explained by the model. The uptake of zinc and copper ións by means of Microencapsulatión of Extractants into a polymer matrix of styrene and 1,4-divinylbenzene prepared by free-radical polymerizatión was also studied. Several types of extractants including the acid alkylphosphorous compound PC-88A, the chelating extractant LIX 860NI-C, and the aniónexchanger basic compound TOA were immobilized in the polymeric matrix by in situ polymerizatión or by a solvent impregnatión method. The microcapsules showed spherical shapes with diameters varying from 42.8 to 185.6 μm. The determinatión of the extractant retained in the MCs was carried out by a potentiometric method. Copper and zinc ións were effectively removed from the source solutión by the microcapsules and recovered during the stripping stage by desorptión with suitable agents from the microcapsules. Extractión of Cu (II) and Zn (II) increased with increasing the concentratión of the extractant in the microcapsules and by using the appropriate pH aqueous solutión. A pseudo-second-order expressión for the rate of absorptión was applied to the studied systems. From the equilibrium point of view an adsoptión study using the current Langmuir and Freundlich isotherms was applied. As much as the kinetics as the equilibrium models fitted fairly well the experimental data obtained in this study. The adsorptión of copper and zinc ións from aqueous solutións was studied by means of a nanostructured calcium silicate. The calcium silicate showed a high sorptión capacity. A pseudo-second-order rate of absorptión was also applied to the experimental data which explained well the results. The calcium silicate was effectively immobilized into paper during the manufacture of a filtratión cartridge by means of the use of two different binders, starch and latex. The removal of both metal ións was successfully accomplished from the feed solutión by means of the coated paper with calcium silicate showing extractións up to 90% of the initial metal content present in the feed aqueous solutión. The nanostructured calcium silicate is constituted of silanol groups which act as binding and nucleatión sites allowing the precipitatión of copper and zinc on its surface. It was demonstrated that the three tested systems were able to extract and/or remove the metal ións from the aqueous dilute solutións that simulate industrial and mining waste streams