Dominando la Separación Química: Extracción Líquido-Líquido, Membranas y Procesos Clave

La química de separación es fundamental en diversas industrias, desde la farmacéutica hasta el tratamiento de aguas. Este documento explora conceptos clave y aplicaciones prácticas en la extracción líquido-líquido, métodos de separación por membrana y otros procesos esenciales.

Extracción Líquido-Líquido: Coeficiente de Reparto y Eficiencia

El coeficiente de reparto (K) es un parámetro crucial en la extracción líquido-líquido, indicando la distribución de un soluto entre dos fases inmiscibles. Un valor de K=3 entre tolueno y agua significa que la concentración del soluto en la fase de tolueno es tres veces mayor que en la fase acuosa.

Problema de Extracción: Soluto A en Tolueno y Agua

Planteamiento del Problema:

El soluto A tiene un coeficiente de reparto de 3 entre el tolueno y el agua (en la fase de tolueno hay 3 veces más que en la fase acuosa). Supongamos que se extraen 100 mL de una disolución acuosa de A 0.010 M con tolueno.

Preguntas:

• A) ¿Qué fracción de A queda en la fase acuosa si se hace una extracción con 500 mL de tolueno?
• B) ¿Qué fracción de A queda en la fase acuosa si se hacen 5 extracciones con 100 mL de tolueno cada una?
• C) ¿En qué momento se debe considerar el número de extracciones y por qué?

Datos del Problema:

• K = 3
• Volumen inicial de agua = 100 mL
• Concentración inicial de A en agua = 0.010 M
• Volumen de tolueno en cada extracción:
  • Caso A: 500 mL en una extracción.
  • Caso B: 5 extracciones de 100 mL cada una.

Resolución:

A) Extracción única con 500 mL de tolueno

La fracción de soluto que permanece en la fase acuosa (q) se calcula con la fórmula:

q = V_agua / (V_agua + K * V_solvente)

Donde V_agua es el volumen de la fase acuosa, K es el coeficiente de reparto y V_solvente es el volumen del solvente de extracción.

q = 100 / (100 + (3 * 500)) = 100 / (100 + 1500) = 100 / 1600 = 0.0625

Esto significa que el 6.25% del soluto A queda en la fase acuosa.

B) Cinco extracciones con 100 mL de tolueno cada una

Primero, calculamos la fracción que queda después de una extracción con 100 mL:

q = 100 / (100 + (3 * 100)) = 100 / (100 + 300) = 100 / 400 = 0.25

Después de 5 extracciones, la fracción remanente es (q)^n, donde n es el número de extracciones:

(0.25)^5 = 0.0009765625 ≈ 0.00098

Esto significa que aproximadamente el 0.098% del soluto A queda en la fase acuosa.

C) Consideraciones para el número de extracciones

El número de extracciones es un factor crítico que depende de varios aspectos:

• 1. Eficiencia deseada: Si se requiere eliminar más del 99% del soluto, varias extracciones pequeñas son significativamente más eficientes que una sola extracción grande con el mismo volumen total de solvente. Como se observa en el problema, 5 extracciones de 100 mL (total 500 mL) dejan mucho menos soluto que una sola extracción de 500 mL.
• 2. Disponibilidad y costo del solvente: Realizar muchas extracciones puede consumir un mayor volumen total de solvente, lo que podría ser costoso o logísticamente complejo.
• 3. Tiempo y complejidad de operación: Más extracciones implican más etapas de separación, lo que aumenta el tiempo de operación y la complejidad del proceso.

Características de un Buen Solvente de Extracción

Un solvente ideal para extracción líquido-líquido debe poseer las siguientes propiedades:

• Afinidad al analito: Debe tener una alta capacidad para disolver el soluto de interés.
• Inmiscibilidad con el agua: Es crucial que sea inmiscible con la fase acuosa para permitir una separación de fases eficiente.
• No tóxico: Preferiblemente, debe ser de baja toxicidad para la seguridad del operador y el medio ambiente.
• Volatilidad adecuada: Una volatilidad moderada facilita su posterior eliminación del analito extraído.
• Bajo costo y fácil disponibilidad: Aspectos prácticos para la viabilidad económica del proceso.
• No reactivo: No debe reaccionar químicamente con el soluto ni con la fase acuosa.

Métodos de Separación por Membrana

La transferencia a través de una membrana es la base de varios métodos de separación avanzados. Tres ejemplos clave son:

• Ósmosis Inversa: Proceso que utiliza presión para forzar el paso de un solvente a través de una membrana semipermeable, reteniendo solutos de alto peso molecular y sales.
• Ultrafiltración: Emplea membranas con poros más grandes que la ósmosis inversa para separar partículas, macromoléculas y coloides de un solvente.
• Diálisis: Permite la separación de solutos de bajo peso molecular de macromoléculas a través de una membrana semipermeable, impulsada por un gradiente de concentración.

Tratamiento de Agua: La Etapa de Sedimentación

Pregunta: En una etapa del tratamiento del agua que abastece a una ciudad, el agua se mantiene por un tiempo en tanques para que los sólidos en suspensión se depositen en el fondo. ¿Cómo se denomina esta etapa y por qué?

Respuesta: Esta etapa se denomina sedimentación. Es un proceso físico de separación del agua en el cual los sólidos suspendidos más densos que el agua se depositan en el fondo de un tanque debido a la fuerza de la gravedad. Es una fase crucial en la clarificación del agua antes de procesos de filtración y desinfección.

Diferencia entre Absorción y Desorción

La absorción y la desorción son procesos inversos fundamentales en la química y la ingeniería de procesos:

• Absorción: Es el proceso en el que una sustancia (soluto o gas) se disuelve o es retenida dentro de otra sustancia (líquido o sólido). Por ejemplo, la absorción de CO2 en una solución de aminas.
• Desorción: Es el proceso inverso de la absorción. Una sustancia que ha sido retenida en un sólido o líquido es liberada hacia otra fase (generalmente un gas o un líquido). Por ejemplo, la liberación de CO2 de la solución de aminas mediante calentamiento.

Descripción del Funcionamiento de un Equipo de Extracción por Ultrasonido

La extracción asistida por ultrasonido (EAU) es una técnica moderna que mejora la eficiencia de la extracción de compuestos. Su funcionamiento se basa en la cavitación acústica:

1. 1. Introducción de la muestra y el solvente: El material a extraer (por ejemplo, plantas, alimentos) se coloca en un recipiente junto con un solvente adecuado.
2. 2. Generación de ondas ultrasónicas: Un transductor ultrasónico convierte la energía eléctrica en ondas ultrasónicas de alta frecuencia (generalmente entre 20 kHz y 100 kHz).
3. 3. Cavitación acústica: Las ondas ultrasónicas generan burbujas de cavitación en el líquido. Estas burbujas crecen y luego implosionan violentamente, produciendo microchorros de alta energía, ondas de choque y fuerzas de cizallamiento.
4. 4. Liberación del analito: La implosión de las burbujas rompe las paredes celulares de la muestra, aumentando la permeabilidad y facilitando la liberación de los compuestos de interés al solvente. Esto acelera la transferencia de masa y mejora el rendimiento de la extracción.

Procesos de Separación Basados en la Composición Química

Cuando la base molecular de la separación es la composición química de las sustancias, se pueden utilizar diversos procesos, incluyendo:

• Extracción Líquido-Líquido: Separación de componentes entre dos fases líquidas inmiscibles.
• Precipitación: Formación de un sólido insoluble a partir de una solución.
• Destilación: Separación de componentes de una mezcla líquida basada en sus diferentes puntos de ebullición.
• Intercambio Iónico: Separación de iones de una solución mediante un intercambio con iones unidos a una resina sólida.
• Cristalización: Formación de cristales sólidos a partir de una solución, un fundido o un gas.
• Ósmosis: Movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable desde una región de menor concentración de soluto a una de mayor concentración.
• Cromatografía: Un conjunto de técnicas para separar mezclas basándose en la diferente afinidad de los componentes por una fase estacionaria y una fase móvil.