Extracción de cadmio (II) mediante membranas líquidas emulsificadas en un reactor del tipo celda de transferencia agitada (CTA)

Abstract

Se estudió la extracción de cadmio mediante membranas líquidas emulsificadas (MLE) en una celda agitada de transferencia (CTA). En estos experimentos la interfase formada por la emulsión primaria-fase acuosa de alimentación es de área conocida y constante en todos ellos. Esto nos permite obtener información respecto al equilibrio, la cinética de extracción y parámetros de transferencia de masa que rigen el mecanismo de transporte de los metales a través de la membrana. La fase orgánica compuesta por el transportador y el tensoactivo Span 80 disueltos en kerosén, constituye la membrana líquida que separa ambas fases acuosas, la de alimentación que contiene al cadmio y la de retroextracción donde ha de acumularse. En estos experimentos se consideraron tres extractantes de tipo comercial: D2EHPA (ácido di(2-etilhexil) fosfórico), TOA (trioctilamina) y Aliquat 336 (cloruro de tri-(C8-C10) metilamonio). Inicialmente se estudió el comportamiento de los tres extractantes frente a una fase acuosa, constituida sólo por agua destilada, con el objeto de determinar el efecto sobre el pH de ésta. Los resultados obtenidos de esta primera etapa indicaron que sólo el extractante D2EHPA producía un cambio de pH en la fase acuosa, debido a que, si bien se encuentra disuelto en fase orgánica, es un derivado del ácido fosfórico y cede protones al medio acuoso al disociarse en la interfase. En forma paralela, se efectuaron cálculos de especiación química del ión cadmio (II), mediante un programa computacional específico, en solución acuosa variando concentraciones de metal, de pH equilibrio y diferentes concentraciones de cloruro de sodio agregados al medio acuoso. En el caso de agregar cloruro de sodio a las soluciones de cadmio se favorece la formación de clorocomplejos a partir de una concentración de 0,2 M de NaCl. Posteriormente, se realizaron experimentos de extracción por solventes convencional de cadmio para determinar las condiciones óptimas de la reacción de extracción. Se determinó que era factible extraer el cadmio desde una solución acuosa, con una efectividad por sobre el 97% de extracción con los tres extractantes, considerados en las condiciones óptimas experimentales obtenidas para cada caso. Conocidas las condiciones más favorables de extracción de Cd(II) se aplicó la metodología MLE para estudiar su transporte. Sólo se obtuvieron emulsiones estables con los transportadores D2EHPA y TOA. Con el objeto de optimizar el fenómeno de transporte, se procedió a realizar experimentos para determinar el efecto de factores de tipo químico e hidrodinámicos. Dentro de las variables consideradas se encuentran: la concentración de extractantes y Span 80 en la fase orgánica, concentración inicial de cadmio en la alimentación, concentración de agente de retroextracción en la solución acuosa interna o de “stripping”, y las velocidades de agitación de la emulsión primaria y en la CTA. Los resultados obtenidos indicaron que las concentraciones de transportador y tensoactivo, dentro de la membrana líquida, y cadmio en la solución acuosa de alimentación juegan un rol fundamental en el proceso de transporte. En cuanto a las variables hidrodinámicas sólo la variación en la velocidad de agitación en la CTA presentó una influencia considerable. Los resultados experimentales obtenidos en este estudio confirman la posibilidad de utilizar esta tecnología de Membrana Líquida Emulsificada (MLE) en el tratamiento de efluentes industriales y soluciones naturales diluidas contenedoras de especies de iones metálicos, demostrando ser una alternativa a los procesos actualmente en uso.

The extraction of cadmium was studied by means of an emulsion liquid membranes (ELM) technology in a stirred transfer cell (CTA). In these experiments the interface formed by the primary emulsion and the aqueous feed is kept constant and being its area known. This permit us to obtain information respect to the equilibrium and kinetics of extraction as well as that concern to mass transfer parameters that govern the mechanism of transport of metals through the membrane. The organic phase constituted by the carrier and the surfactant Span 80 was dissolved in kerosene, being this solution precisely the membrane liquid that separates both aqueous phases, the feed that contains the metal and that of stripping where cadmium is transferred and accumulated. In these experiments three commercial extractants were considered: D2EHPA (acid bis(2-etilhexil) phosphoric), TOA (tri-n-octylamine) and Aliquat 336 (tri-(C8-C10) methylammonium chloride). Initially it was studied the behavior of the three extractants in an aqueous phase, constituted only by water distilled. The purpose was to determine the effect of them on the pH of this aqueous phase. The results obtained in this first step indicated that only the extractant D2EHPA produced a change of pH in the aqueous phase, due to the fact that even in organic phase, this phosphoric acid - derived compound tends to dissociate in the interface, releasing hydrogen-ions. At same time, calculations were performed to set the chemical speciation of the Cd(II) ions in aqueous solution, by means of a specific computational program, varying concentrations of metal and that of pH equilibrium. It were varied different sodium chloride concentrations added to the medium aqueous. When sodium chloride is added to solutions of cadmium, it is enhanced the formation of chloride complexes, specially for concentration of NaCl over 0,2 M. Subsequently, experiments of cadmium solvent extraction were carried out by using conventional method to determine the optimum conditions for reaction of extraction. It was determined that was feasible to extract cadmium from an aqueous solution, with an effectiveness over 97% of extraction, with the three extractants, considering the optimal experimental conditions obtained for each of them. Once the most favorable conditions for Cd(II) extraction were known, it was applied the MLE methodology to study its transport through the membrane. Only stable emulsions were obtained with the carrier D2EHPA and TOA. With the purpose to optimize the metal transport, different experiments were carried out to determine the effect on metal flux of chemical and hydrodynamics factors. It were measured the influence of the following variables: the concentration of extractants and Span 80 in the organic phase, the initial concentration of cadmium in the feed, the concentration of stripping agent in the internal aqueous solution and the stirring speeds to prepare the primary emulsion and that in the CTA. The results indicated that the contents of carrier and surfactant in the liquid membrane, and the concentration of cadmium in the aqueous feed play a fundamental role in the process of metal transport. With respect to the effect of hydrodynamics variables, only the variation of stirring speed in the CTA presented a remarked influence. The experimental results achieved in this study confirm the possibility to utilize this Emulsified Liquid Membrane (ELM) technology for processing of dilute industrial effluent and natural solutions containing metallic ions, having been shown that ELM is an interesting alternative to the current methods now a days used.