INTEGRANTES: Devora Geanella Ortega Maldonado Elvia Lucinda Zhigui Rodríguez Diana Carolina Tello Román CURSO: 5 Ing. Química PROFESOR: Ing. Químico Braulio Madrid TEMA: EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO INTRODUCCIÒN. La extracción líquida-líquida es un proceso para la separación de componentes en solución por su distribución entre dos fases inmiscibles líquidas. Este proceso también se conoce como simplemente extracción líquida o extracción con solvente; sin embargo, el último término puede ser confuso porque esto también se aplica a la lixiviación de una sustancia soluble de un sólido. Ya que la extracción líquida-líquida implica la transferencia de masa de una fase líquida en una segunda fase inmiscible líquida, el proceso puede ser realizado de muchos modos diferentes. El ejemplo más simple implica la transferencia de un componente de una mezcla binaria en una segunda fase inmiscible líquida. Un ejemplo es la extracción líquida-líquida de una impureza de aguas negras en un solvente orgánico. En algunos casos una reacción química puede ser usada para mejorar la transferencia, un ejemplo es el empleo de una solución acuosa cáustica para extraer fenoles de una corriente de hidrocarburo.
1. Extracción líquido-líquido. 1.1 Extracción líquido-líquido simple. La extracción líquido-líquido es un método muy útil para separar componentes de una mezcla. El éxito de este método depende de la diferencia de solubilidad del compuesto a extraer en dos disolventes diferentes. Cuando se agita un compuesto con dos disolventes inmiscibles, el compuesto se distribuye entre los dos disolventes. A una temperatura determinada, la relación de concentraciones del compuesto en cada disolvente es coef i ciente de de distr distr i bución o siempre constante, y esta constante es lo que se denomina coef de r eparto par to (K (K = concentración en disolvente 2 / concentración en disolvente 1). Es frecuente obtener mezclas de reacción en disolución o suspensión acuosa (bien porque la reacción se haya llevado a cabo en medio acuoso o bien porque durante el final de reacción se haya añadido una disolución acuosa sobre la mezcla de reacción inicial). En estas situaciones, la extracción del producto de reacción deseado a partir de esta mezcla acuosa se puede conseguir añadiendo un disolvente orgánico adecuado, más adecuado, más o menos denso que el agua, que sea inmiscible con el agua y capaz de solubilizar la
máxima cantidad de producto a extraer pero no las impurezas que lo acompañan en la mezcla de reacción. Después de agitar la mezcla de las dos fases para aumentar la superficie de contacto entre ellas y permitir un equilibrio más rápido del producto a extraer entre las dos fases, se producirá una transferencia del producto deseado desde la fase acuosa inicial hacia la fase orgánica, en una cantidad tanto mayor cuanto mayor sea su coeficiente de reparto entre el disolvente orgánico de extracción elegido y el agua. Unos minutos después de la agitación, las dos fases se separan de nuevo, espontáneamente por decantación, debido a la diferencia de densidades entre ellas, con lo que la fase orgánica que contiene el producto deseado se podrá separar mediante una simple decantación de la fase acuosa conteniendo impurezas. La posición relativa de ambas fases depende de la relación de densidades. Dado que después de esta extracción, la fase acuosa frecuentemente aún contiene cierta cantidad del producto deseado, se suele repetir el proceso de extracción un par de veces más con disolvente orgánico puro. Una vez finalizada la operación de extracción, se tiene que recuperar el producto extraído a partir de las fases orgánicas reunidas. Para ello, se tiene que secar la fase orgánica resultante con un agente desecante, filtrar la suspensión resultante y finalmente eliminar el disolvente orgánico de la disolución seca conteniendo el producto extraído por destilación o evaporación. Aunque normalmente la extracción se utiliza para separar el producto deseado selectivamente de una mezcla, a veces lo que se pretende con la extracción es eliminar impurezas no deseadas de una disolución.
1.1.1 Características del disolvente de extracción. La extracción selectiva de un componente de una mezcla disuelta en un determinado disolvente se puede conseguir añadiendo otro disolvente que cumpla las siguientes condiciones.
Que no sea miscible con el otro disolvente. El agua o una disolución acuosa suele ser uno de los disolventes implicados. El otro disolvente es un disolvente orgánico. Que el componente deseado sea mucho más soluble en el disolvente de extracción que en el disolvente original. Que el resto de componentes no sean solubles en el disolvente de extracción. Que sea suficientemente volátil, de manera que se pueda eliminar fácilmente del producto extraído mediante destilación o evaporación. Que no sea tóxico ni inflamable, aunque, desgraciadamente hay pocos disolventes que cumplan los dos criterios: hay disolventes relativamente no tóxicos pero inflamables como el hexano, otros no son inflamables pero sí tóxicos como el diclorometano o el cloroformo, y otros son tóxicos e inflamables como el benceno.
1.1.2 Disolventes inmiscibles con el agua: Disolventes utilizados con mayor frecuencia.
Cuanto más polar es el disolvente orgánico, más miscible (soluble) es con el agua.
Por ejemplo, disolventes polares como el metanol, el etanol o la acetona son miscibles con el agua, y por lo tanto, no son adecuados para extracciones líquido-líquido.
Los disolventes orgánicos con baja polaridad como el diclorometano, el éter dietílico, el acetato de etilo, el hexano o el tolueno son los que se suelen utilizar como disolventes orgánicos de extracción.
Tabla 1.Disolventes de extracción comúnmente utilizados.
Nombre
Fórmula
Densidad Punto (g/mL)1 ebullición
(ºC) Disolventes de extracción menos densos que el agua Éter dietílico (CH3CH2)2º 0,7 35 Hexano Benceno
C6H14 C6H6
≈ 0,7
0,9
> 60 80
Tolueno C6H5CH3 0,9 111 Acetato de CH3COOCH2CH3 0,9 78 etilo Disolventes de extracción más densos que el agua Diclorometano CH2Cl2 1,3 41 Cloroformo CHCl3 1,5 61 Tetracloruro CCl4 1,6 77 de carbono
de Peligrosidad
Muy inflamable, tóxico Inflamable Inflamable, tóxico, carcinógeno Inflamable Inflamable, irritante Tóxico Tóxico Tóxico
La densidad del agua es 1,0 g/mL, y la de la disolución acuosa saturada de NaCl es 1,2 g/mL.
1.1.3 Repetición del proceso de extracción.
Después de una primera extracción se produce un reparto del compuesto a extraer entre el disolvente de extracción y la fase inicial. Como la fase inicial suele contener aún una cantidad apreciable del compuesto a extraer, variable en función de su coeficiente de reparto entre los dos disolventes implicados, es recomendable repetir el proceso de extracción con nuevas cantidades de disolvente de extracción, para optimizar su separación. Es más eficiente una extracción con n porciones de un volumen V / n de disolvente de extracción que una sola extracción con un volumen V de disolvente. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número de extracciones con volúmenes pequeños de disolvente de extracción, mayor será la cantidad de producto extraído, o dicho de otra forma, “mejor muchos de poco que pocos de mucho”.
1.2 Extracción líquido-líquido continua. La extracción líquido-líquido simple, que es el procedimiento de extracción más utilizado en el laboratorio químico, se suele utilizar siempre que el reparto del compuesto a extraer en el disolvente de extracción es suficientemente favorable. Cuando eso no es así, y la solubilidad del compuesto a extraer en los disolventes de extracción habituales no es muy elevada se suele utilizar otro procedimiento que implica una extracción continua de la fase inicial (normalmente una fase acuosa) con porciones nuevas del disolvente orgánico de extracción. Para evitar utilizar grandes volúmenes de disolvente de extracción, el proceso se hace en un sistema cerrado en el que el disolvente de extracción se calienta en un matraz y los vapores del disolvente se hacen condensar en un refrigerante colocado sobre un tubo o cámara de extracción que contiene la disolución acuosa a extraer. El disolvente condensado caliente se hace pasar a través de la disolución acuosa, para llegar finalmente, con parte del producto extraído, al matraz inicial, donde el disolvente orgánico se vuelve a vaporizar, repitiendo un nuevo ciclo de extracción, mientras que el producto extraído, no volátil, se va concentrando en el matraz.
1.2 DIAGRAMA DE FASE LÌQUIDA.
1.3 ELECCIÓN DEL DISOLVENTE. Usualmente se puede seleccionar el líquido que se utilizará como disolvente en la operación de extracción, dentro de un gran número de opciones. Es poco probable que un líquido en particular exhiba todas las propiedades que se consideran deseables para la extracción, por lo que se debe llegar a una solución de compromiso. Las características a tener en cuenta en el momento de la selección son:
Selectividad. La separación relativa o selectividad (α) de un solvente B para separar a
los componentes A y C de una solución, mide la relación de concentraciones de A y C en la fase rica en solvente (extracto) respecto a la misma relación en el refinado.
Recuperabilidad. El solvente de extracción por lo general debe ser recuperado para reutilizarlo en el proceso de extracción. Ya que la destilación a menudo es la operación
usada para su recuperación, la volatilidad relativa del solvente de extracción respecto a los componentes no solventes debería ser muy distinta.
Coeficiente de partición. La proporción de partición para un soluto A, preferentemente debería ser grande (yA, extracto/xA, refinado) para que una proporción baja de solvente de extracción pueda ser usada.
Solubilidad del disolvente. Para la separación de una mezcla de dos componentes A y C, se dispone de dos disolventes B y B’ (ver figura 5). Sólo mezclas A -C cuya
composición esté entre los puntos A-D pueden separarse mediante el uso del disolvente B o B´ respectivamente, puesto que las mezclas ricas en C no forman dos fases líquidas con los disolventes.
Capacidad. Es la propiedad que se refiere a la carga de soluto por el peso de disolvente de extracción que puede ser alcanzado en una capa de extracto.
Densidad. Es necesaria una diferencia en la densidad entre las fases líquidas saturadas, para lograr la separación de las mismas. Cuanto mayor sea esta diferencia tanto mejor se realizará su separación. La diferencia de densidad disminuye al cero en un punto de Plait.
Tensión interfacial. Una tensión alta interfacial promueve una rápida coalescencia de las gotas de la emulsión, favoreciendo la separación. Simultáneamente requiere que la agitación mecánica sea alta para producir gotas pequeñas. Generalmente es más importante lograr buenas separaciones por lo que se recomienda trabajar con altas tensiones superficiales.
Reactividad química. El disolvente debe ser estable e inerte químicamente frente a los demás componentes del sistema y frente a los materiales comunes de construcción de equipos.
Toxicidad. Debido a la exposición potencial durante la reparación de los equipos o mientras la rotura de las conexiones de transferencia solvente, la toxicidad del disolvente debe ser baja tanto a la inhalación de vapor del solvente como al contacto de la piel.
Costo. El disolvente debe ser de bajo costo
DIFERENCIA DE DESTILACION Y EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO La destilación separa componentes por diferencia de volatilidad. La extracción l-l la separación se basa en diferencias de estructura molecular. Requiere de al menos una etapa de destilación para recuperar el disolvente NOTA.- si un problema de separación se puede abordar mediante destilación, está opción será
generalmente mejor que la extracción l-l
DIAGRAMA DE FASE LIQUIDA -LIQUIDA
En el diseño de una operación de extracción líquido-líquido suele considerarse que el refinado y el extracto se encuentran equilibrio. Los datos de equilibrio que deberán manejarse serán como mínimo los correspondientes a un sistema ternario (dos disolventes y un soluto), con dos de los componentes inmiscibles o parcialmenteinmiscibles entre sí. Una de las formas más habituales de recoger los datos de equilibrio en sistemasternarios son los diagramas triangulares. En la Figura 2 se muestra un diagramatriangular equilátero. Los vértices del triángulo representan compuestos puros, un puntosobre un lado correspondería a una mezcla binaria y un punto en el interior del triángulorepresentaría una mezcla ternaria. La composición de una mezcla puede determinarsepor lectura directa en el diagrama, tal como muestra la Figura 2. La concentración delos componentes en el diagrama se muestra como fracción molar o fracción másica.
Figura 2. Diagrama de equilibrio ternario: diagrama triangular equilátero. En los sistemas de interés para la extracción líquido-líquido los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre sí. Es decir, su mezcla en las proporciones adecuadas puede dar lugar a la formación de dos fases. Además, la presencia de un soluto modifica la solubilidad de un disolvente en otro. Para representar este comportamiento, y poder conocer si a una determinada mezcla le corresponden una o dos fases, los diagramas triangulares líquido-líquido presentan la denominada curva binodal o de solubilidad (Figura 3).
Una mezcla representada por un punto situado por encima de la curva binodal estará constituida por una sola fase. Por el contrario, a una mezcla situada por debajo de la curva binodal le corresponden dos fases. Las dos fases en equilibrio se encuentran ligadas por una recta de reparto. La recta de reparto pasa por el punto mezcla y sus extremos sobre la curva binodal indican la concentración de las dos fases en equilibrio (Figura 3 ).
Figura 3. Diagrama de equilibrio ternario para un sistema líquido-líquido.