Descontaminación de drenajes ácidos de mina por medio de membranas líquidas emulsificadas en un reactor de tipo celda agitada de transferencia (CTA)

Abstract

El propósito general de esta Memoria se inserta en el marco del Proyecto Fondecyt Nº 1040567 cuyo objetivo general es recuperar o remover en forma práctica y eficiente los contenidos de los metales pesados cobre y cinc existentes en soluciones acuosas ácidas diluidas de tipo natural o generadas en la actividad industrial y minera del país, mediante un proceso basado en la moderna tecnología de Membranas Líquidas Emulsificadas (MLE). Específicamente en esta etapa del estudio se requería obtener información básica y fundamental respecto al equilibrio y la cinética de extracción y relativa a parámetros de transferencia de masa que rigen el mecanismo de transporte de los metales en la MLE. Con este fin se realizaron experimentos de transporte en una Celda de Transferencia Agitada (CTA) empleando soluciones preparadas en laboratorio que simulan las de origen industrial. Se estudió la estabilidad de la membrana en la CTA, observando y midiendo la eventual ruptura de la emulsión en función de las variables que afectan al proceso, incluido el uso de compuestos tensoactivos adecuados. Se realizó un estudio de optimización de las variables que afecta el transporte de los metales en la Celda de Transferencia Agitada. La celda de transferencia agitada diseñada para este estudio resultó ser adecuada, logrando obtener una interfase clara entre la fase de alimentación y la emulsión primaria, lo que permitió definir el área interfacial del proceso y disminuir fenómenos de ruptura de emulsión. Respecto a la influencia de las variables químicas que afectan la extracción y el flujo de Cu(II) con el extractante transportador LIX-860 N-IC y el del ion Zn(II) con D2EHPA a través de la membrana líquida, se puede indicar que el transporte de ambos iones se beneficia con el aumento de la concentración del extractante en la fase orgánica y con el aumento del pH de la fase acuosa de alimentación lo que señalaría que la reacción de extracción entre el metal y el transportador ocurriría en la interfase que separa la solución acuosa alimentadora y la emulsión primaria. La velocidad inicial de extracción aumentó con el incremento de la concentración del metal a extraer en dicha interfase. La concentración del agente de retroextracción (H2SO4) en la fase acuosa interna aceptora del metal, no presentó un efecto marcado indicando la limitada influencia que tiene esta etapa sobre la velocidad global del proceso. A su vez, se observó que aumenta la extracción de cobre y de cinc a medida que se aumenta la velocidad de agitación en la celda de transferencia hasta cierto valor (40 rpm) tras lo cual el transporte del metal se hace independiente de esta variable. Se requiere además una razón en volumen Vorg/Vac interna de 2,0. Ambas condiciones en la emulsión primaria aseguran un adecuado movimiento de las gotas de la fase acuosa interna lo que beneficia el fenómeno de transporte del metal en la MLE. Una mayor velocidad de agitación en la preparación de la emulsión y del sistema alimentación-emulsión primaria en la celda de transporte agitada generó gotas de la emulsión de menor tamaño, incrementando por tanto el área interfacial para la reacción del extractante con el metal, por aumento de los sitios de reacción. Sin embargo, una excesiva velocidad de agitación produciría fenómenos de coalescencia y ruptura de los glóbulos de la emulsión tornándola inestable. Se proponen probables reacciones químicas de los iones metálicos a extraer con los respectivos extractantes transportadores utilizados. Finalmente es posible indicar que los resultados presentados en este estudio señalan lo promisorio de esta tecnología de Membrana Líquida Emulsionada (MLE) en el tratamiento de efluentes industriales y soluciones naturales diluidas que contienen metales pesados. A partir de dichos resultados, se está trabajando en un mecanismo de transporte del metal en la MLE, el cual considera un fenómeno de trasferencia de masa con reacción química

The general purpose of this Thesis is inserted in the development of the Research Project FONDECYT Nº 1040567, whose objective is the practical and efficient recovery or removal of contents of copper and cinc existent in natural or waste dilute acid aqueous solutions by means of the novel process based on emulsified liquid membrane (ELM). Specifically in this step of the study is required to obtain basic and fundamental information with respect to the equilibrium and kinetics extraction and related with mass transfer variables that govern the metal transport mechanism in the ELM. With this aim, experiments were carried out in a stirring transfer cell-type reactor using synthetic aqueous solutions prepared in laboratory which simulate those of industrial origin. It was studied the membrane stability at the transfer cell, being observed and measured the eventual break down of emulsion as a function of the variables that affect the process, including the employment of an appropriate surfactant compound. It was accomplished an optimization study of all variable that influence the transport of metals through the membrane in the stirring cell. This stirring transfer cell designed for this study was adequate being achieved a neat and clear interface between the aqueous feed solution and the primary emulsion, which let to define the interfacial area for the process and diminish emulsion break down troubles. The extraction and flux of copper with the oximic carrier (LIX-860 N-IC) and that of cinc with D2EHPA through the membrane were enhanced as the carrier extractant concentration in the organic phase were increased. The same effect presented the rise of pH of aqueous feed. Both facts are indicating that the extraction reaction between the metals and the carriers would occur in the interface that separates the feed and the primary emulsion. Furthermore, the initial extraction rate increased with the increment of metals content to be uptaken in such interface. The concentration of sulfuric acid (back-extraction agent) in the acceptor inner aqueous phase did not present any marked effect on transport indicating the limited influence that this step has on the global rate of process.Moreover, it was observed that the metals extraction is enlarged as the stirring speed in the transfer cell is increased as far as 40 rpm and that over this value the transport of metals become independent of this variable. It is also required use a volume rate Vorg/Vac inner of 2.0. Both conditions in the primary emulsion assure an adequate movement of inner aqueous phase droplets which improve the transport of metals in the ELM. A higher stirring speed to prepare the primary emulsion and in the transfer cell generated emulsion globules of smaller size, being in this way increased the interfacial area for the chemical reaction between the carrier extractant and metals, due to the augment of reaction sites. However, an excessive increment of stirring speed would produce coalescence of emulsion droplets and break down of emulsion globules turning it unstable. Probably extraction chemical reactions between the extractant and metals are proposed. Finally, it is possible to indicate that the results shown in this study are indicating how promissory is the ELM technology for treatment of dilute industrial effluents and natural solutions containing heavy metal ions. From these results, a metal transport mechanism through the membrane is being analyzed which considers a mass transfer-with chemical reaction model