Obtención de una doble emulsión estable del tipo w/o/w adecuada para la transferencia de iones lantánidos trivalentes desde una fase acuosa externa hacia una fase acuosa interna utilizando Cyanex 272 como agente transportador

Abstract

Las emulsiones son un tipo de sistemas de fases dispersas, se encuentran en forma abundante en nuestro alrededor y comúnmente son utilizados para el confort del hombre en la vida diaria, en la industria de los alimentos, en la industria farmacéutica, en la industria cosmética y en la industria química. Según el tipo de dispersión las emulsiones se clasifican como aquellas del tipo agua en aceite (w/o) o aceite en agua (o/w). Es posible obtener dispersiones más complejas con fines más específicos, tales como las emulsiones múltiples del tipo w/o/w u o/w/o, que requieren, en primer lugar, de la formación de una emulsión primaria estable y luego su dispersión en la fase externa. Estas emulsiones dobles generan una membrana líquida activa, capaz de transferir ciertos elementos entre dos fases extremas, miscibles entre sí pero separadas por la fase intermedia inmiscible. Al dispersar dos fases líquidas inmiscibles, que poseen una elevada fuerza de atracción entre sus propias moléculas, se genera una gran área de interfase produciendo un sistema termodinámicamente inestable, lo que conlleva la ruptura de la emulsión en un determinado tiempo. El grado de inestabilidad del sistema depende de la magnitud de la energía libre interfacial por unidad de área, o la mínima cantidad de trabajo requerido para crear una unidad de área de interfase, denominada tensión interfacial. Para estabilizar los sistemas dispersos o emulsiones se debe agregar un agente que posea actividad interfacial, que permita disminuir la tensión interfacial y las interacciones atractivas entre las gotitas que se encuentran dispersas. Estos agentes que son denominados tensoactivos o surfactantes son especies químicas anfipáticas, que por diversos mecanismos impiden el colapso de las gotitas, evitando su coalescencia o floculación. Se ha propuesto como metodología alternativa económica y efectiva la utilización de doble emulsiones para la extracción y separación de especies químicas que presenten interés. En una emulsión del tipo w/o/w dos fases acuosas están separadas por la fase orgánica inmiscible (fase membrana). Si se agrega un extractante de metales a la fase membrana es posible transferir iones metálicos entre ambas fases acuosas y utilizar el sistema de doble emulsión para la transferencia controlada de especies metálicas. La aplicación de la metodología de doble emulsiones para la separación de iones metálicos requiere de la obtención de un sistema estable, donde no se produzca ruptura o hinchamiento de la emulsión primaria. Es decir, se requiere que el volumen de la emulsión primaria al inicio y al final permanezca invariable, en términos prácticos. En esta memoria de título, se estudió el comportamiento de estabilidad de las emulsiones dobles del tipo w/o/w utilizando el tensoactivo SPAN 80 como agente estabilizador, con la finalidad de aplicarlas como método para separar y concentrar iones metálicos lantánidos, específicamente los iones trivalentes de La, Ce, Pr y Nd. En este estudio se evaluó la influencia de las siguientes variables en la estabilidad de la emulsión doble: las concentraciones de diferentes especies complejantes en la fase acuosa de alimentación, del Cyanex 272 y de los co-extractantes TOPO y TBP en la fase membrana y de ácido clorhídrico en la fase acuosa interna. En todos los casos se trató de determinar la concentración precisa de SPAN 80 capaz de generar una emulsión estable. Debido a que todos los experimentos realizados en esta memoria de título fueron realizados en las mismas condiciones hidrodinámicas de velocidad y tiempo de agitación, manteniendo constante la temperatura, fue posible suponer que siempre se debió obtener el mismo tamaño de glóbulo y una misma área interfacial. Por lo tanto, se pudo considerar un modelo que representa la estabilidad del sistema en términos de la energía libre de Gibbs, considerando dos etapas: la formación de la emulsión propiamente tal y la reacción química interfacial. Teniendo en cuenta estos efectos, referidos a que no es deseable una ruptura parcial o total o un hinchamiento de la emulsión primaria, debe considerarse la adición de una cantidad muy precisa del agente tensoactivo estabilizador, dado que se requiere un mínimo basal para la estabilidad propia del sistema emulsionado y un adicional para compensar el efecto de la reacción química interfacial. Como resultado de este estudio, se lograron obtener las correlaciones matemáticas que permiten determinar la cantidad necesaria de agente tensoactivo SPAN 80 que debe ser adicionada, en función de las concentraciones utilizadas de las otras especies químicas intervinientes en el proceso de extracción y transferencia de los iones lantánidos

The emulsions are a kind of dispersed phase systems that can be found in abundant way in people's daily life and are commonly employed in the food, pharmaceutical, cosmetic and chemical industries. According to the kind of dispersion, they are classified as water in oil (w/o) or oil in water (o/w) emulsions. It is possible to obtain more complex dispersions with more specific purposes, such as water in oil in water (w/o/w) or oil in water in oil (o/w/o) multiple emulsions that require in first place, the formation of an stable basic emulsion and then, its dispersion in the external phase. These double emulsions generate an active liquid membrane capable of transferring some elements between two miscible phases separated by one inmiscible phase. At dispersing two inmiscible liquid phases that have high attraction forces between their own molecules, a great interfacial area is created which produces an instable thermodynamic system, causing the breakdown of the emulsion in a determinate time. The grade of instability of the system depend on the value of interfacial free energy per area unit, or on the minimum work amount required to create an interfacial area unit, known as interfacial tension. To stabilize the dispersion systems or emulsions is necessary to add an agent with interfacial activity, that allows to reduce the interfacial tension and the attractive interactions between the disperse droplets. These agents, known as tensoactives or surfactants, are amphipatic chemical species that prevent, by different mechanisms, the flocculation or coalescence of the droplets. The use of double emulsions has been purposed as an economic and effective alternative methodology to the extraction and separation of chemical species of interest. In the case of water in oil in water double emulsion, two aqueous phases are separated by an inmiscible organic phase, known as membrane phase. If a metal organic extractant is added to the membrane phase, it is possible to transfer metal ions between both aqueous phases and, moreover to use the double emulsion for the controlled metallic species transfer. The application of double emulsion methodology to the separation of metallic ions requires the obtainment of a stable system where break or swelling of primary emulsion does not happen. In other words, it is required that the volume of emulsion practically be invariable to throughout and the term of the extraction process. In this title thesis, it was studied the stability of double emulsions (w/o/w) using the surfactant compound SPAN 80 as a stabilizer agent, with the purpose of apply the emulsion system as a method to separate and concentrate lanthanide ions, specifically the trivalent ions La, Ce, Pr and Nd. In this study was evaluated the influence of the following variables in the stability of double emulsions: the concentration of different complexant agents in the feed aqueous phase, of the Cyanex 272 and the co-extractan TOPO and TBP in the membrane phase and the hydrochloric acid in the internal aqueous phase. In every cases, it was tried of determine the precise concentration of SPAN 80 capable of generate a stable emulsion. On account of that all the experiments of this degree thesis, it were realized in the same hydrodynamics conditions of velocity and stirring time, keeping constant temperature, it was possible to suppose that always the same globule size may be attained as well as the same interfacial area. Therefore, it can be considered a model that represents the system stability in terms of the Gibbs free energy, considering two stages: the emulsion's formation and the interfacial chemical reaction. Considering these effects, assuming that is not desire a partial or total break or swelling of the primary emulsion, it should be consider add a very precise amount of the stabilizer surfactant agent, because it is required a basal minimum to the own-stability of the emulsified system and an additional quantity to compensate the effect of the interfacial chemical reaction. As result of this study, it was reached to obtain the mathematic correlations that permit to determine the necessary amount of the surfactant agent SPAN 80 that should be added, in function of the used concentration of the other participant chemical species in the extraction and transfer process of the lanthanide ions