Experimentación en Ingeniería Medioambiental

Licenciatura en Ciencias Ambientales

Universidad Alfonso X “El Sabio”

[Año]

Informe de las prácticas

2, 8, 10 y 12 Beatriz Alonso Morlanes

Fermín Martínez de Hurtado Yela

Juan José Zabala Calderón

[Escribir el nombre del autor]

Práctica 2

Destilación en Columna de Relleno

La destilación es la operación de separar, comúnmente mediante calor, los diferentes

componentes líquidos de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición

(temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias a separar. La destilación se da

en forma natural debajo del punto de ebullición (100 ºC en el caso del agua), luego se

condensa formando nubes y finalmente llueve. Es decir; es un proceso que consiste en

calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y,

a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por

medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de

varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los

materiales volátiles de los no volátiles.

El aparato utilizado para la destilación en el laboratorio es el alambique. Consta de un

recipiente donde se almacena la mezcla a la que se le aplica calor, un condensador

donde se enfrían los vapores generados, llevándolos de nuevo al estado líquido y un

recipiente donde se almacena el líquido concentrado.

1. Mechero, proporciona calor a la mezcla a destilar.

2. Ampolla o matraz de fondo redondo, que deberá contener pequeños trozos de material

poroso (cerámica, o material similar) para evitar sobresaltos repentinos por

sobrecalentamientos.

3. Cabeza de destilación: No es necesario si la retorta tiene una tubuladura lateral.

4. Termómetro: El bulbo del termómetro siempre se ubica a la misma altura que la salida a

la entrada del refrigerador. Para saber si la temperatura es la real, el bulbo deberá tener al

menos una gota de líquido. Puede ser necesario un tapón de goma para sostener al

termómetro y evitar que se escapen los gases (muy importante cuando se trabaja con

líquidos inflamables).

5. Tubo refrigerante. Aparato de vidrio, que se usa para condensar los vapores que se

desprenden del balón de destilación, por medio de un líquido refrigerante que circula por

éste.

6. Entrada de agua: El líquido siempre debe entrar por la parte inferior, para que el tubo

permanezca lleno con agua.

7. Salida de agua: Casi siempre puede conectarse la salida de uno a la entrada de otro,

porque no se calienta mucho el líquido.

8. Se recoge en un balón, vaso de precipitados, u otro recipiente.

9. Fuente de vacío: No es necesario para una destilación a presión atmosférica.

Existen varios tipos diferentes de destilación:

Destilación simple: se usa para la separación de líquidos con punto de ebullición inferiores

a 150º a presión atmosférica de impurezas no volátiles o de otros líquidos miscibles que

presenten un punto de ebullición al menos 25º superior al primero de ellos. Para que la

ebullición sea homogénea y no se produzcan proyecciones se introduce en el matraz un

trozo de plato poroso

Destilación fraccionada: se usa para separar componentes líquidos que difieren de en

menos de 25º en su punto de ebullición. Cada uno de los componentes separados se les

denomina fracciones. Es un montaje similar a la destilación simple en el que se ha

intercalado entre el matraz y la cabeza de destilación una columna que puede ser tener

distinto diseño (columna vigreux, de relleno...). Al calentar la mezcla el vapor se va

enriqueciendo en el componente más volátil, conforme asciende en la columna.

Destilación a vacío: es un montaje muy parecido a los otros procesos de destilación con la

salvedad de que el conjunto se conecta a una bomba de vacío o trompa de agua. En

lugar de plato poroso se puede adaptar un capilar de vidrio u otro dispositivo semejante

que mantenga la ebullición homogénea. Este montaje permite destilar líquidos a

temperaturas más bajas que en el caso anterior debido que la presión es menor que la

atmosférica con lo que se evita en muchos casos la descomposición térmica de los

materiales que se manipulan.

Destilación azeotrópica: es una de las técnicas usadas para romper un azeótropo en la

destilación. Una de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la de la mezcla

etanol-agua. Usando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede purificarse a

aproximadamente el 95%.

Una vez se encuentra en una concentración de 95/5% etanol/agua, los coeficientes de

actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la

mezcla también es de 95/5% etanol-agua, por lo tanto destilar de nuevo no es efectivo.

Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa

como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95/5% debe romperse para lograr

una mayor concentración.

En uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por ejemplo, la

adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y elimina el azeótropo. La

desventaja, es la necesidad de otra separación para retirar el benceno. Otro método, la

variación de presión en la destilación, se basa en el hecho de que un azeótropo depende

de la presión y también que no es un rango de concentraciones que no pueden ser

destiladas, sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azeótropo

se salta, la destilación puede continuar.

Para saltar el azeótropo, el punto del azeótropo puede moverse cambiando la presión.

Comúnmente, la presión se fija de forma tal que el azeótropo quede cerca del 100% de

concentración, para el caso del etanol, éste se puede ubicar en el 97%. El etanol puede

destilarse entonces hasta el 97%. Actualmente se destila a un poco menos del 95,5%. El

alcohol al 95,5% se envía a una columna de destilación que está a una presión diferente,

se lleva el azeótropo a una concentración menor, tal vez al 93%. Ya que la mezcla está

por encima de la concentración azeotrópica actual, la destilación no se “pegará” en este

punto y el etanol se podrá destilar a cualquier concentración necesaria.

Para lograr la concentración requerida para que el etanol sirva como aditivo de la gasolina

normalmente se usan tamices moleculares en la concentración azeotrópica. El etanol se

destila hasta el 95%, luego se hace pasar por un tamiz molecular que absorba el agua de

la mezcla, ya se tiene entonces etanol por encima del 95% de concentración, que permite

destilaciones posteriores. Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede

reutilizarse.

Destilación por arrastre de vapor de agua: se lleva a cabo la vaporización selectiva del

componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles". Lo anterior se

logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla,

denominándose este "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la de

"arrastrar" el componente volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase

inmiscible que cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación.

En este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilación

(orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera

presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá

a la de un líquido puro a una temperatura de referencia.

La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser aplicado es que

tanto el componente volátil como la impureza sean insolubles en agua ya que el producto

destilado volátil formará dos capas al condensarse, lo cual permitirá la separación del

producto y del agua fácilmente.

Como se mencionó anteriormente, la presión total del sistema será la suma de las

presiones de vapor de los componentes de la mezcla orgánica y del agua, sin embargo, si

la mezcla a destilar es un hidrocarburo con algún aceite, la presión de vapor del aceite al

ser muy pequeña se considera despreciable a efectos del cálculo:

P = Pa° + Pb°

Donde:

P = presión total del sistema

Pa°= presión de vapor del agua

Pb°= presión de vapor del hidrocarburo

Por otra parte, el punto de ebullición de cualquier sistema se alcanza a la temperatura a la

cual la presión total del sistema es igual a la presión del confinamiento. Y como los dos

líquidos juntos alcanzan una presión dada, más rápidamente que cualquiera de ellos

solos, la mezcla hervirá a una temperatura más baja que cualquiera de los componentes

puros. En la destilación por arrastre es posible utilizar gas inerte para el arrastre. Sin

embargo, el empleo de vapores o gases diferentes al agua implica problemas adicionales

en la condensación y recuperación del destilado o gas.

El comportamiento que tendrá la temperatura a lo largo de la destilación será constante,

ya que no existen cambios en la presión de vapor o en la composición de los vapores de

la mezcla, es decir que el punto de ebullición permanecerá constante mientras ambos

líquidos estén presentes en la fase líquida. En el momento que uno de los líquidos se

elimine por la propia ebullición de la mezcla, la temperatura ascenderá bruscamente.

Si en mezcla binaria designamos por na y nb a las fracciones molares de los dos líquidos

en la fase vapor, tendremos:

▪ Pa° = na P Pb° = nbP dividiendo:

▪ Pa° = na P = na

▪ Pb° = nb P = nb

na y nb son el número de moles de A y B en cualquier volúmen dado de vapor, por lo

tanto:

▪ Pa° = na

▪ Pb° = nb

y como la relación de las presiones de vapor a una "T" dada es constante, la relación

na/nb, debe ser constante también. Es decir, la composición del vapor es siempre

constante en tanto que ambos líquidos estén presentes.

Además como: na = wa/Ma y nb= wb/Mb

donde: wa y wb son los pesos en un volúmen dado y Ma, Mb son los pesos moleculares

de A y B respectivamente. La ecuación se transforma en:

Pa° = na = waMb Pb° nb wbMa O bien: wa = MaPa° wb MbPb°

Esta última ecuación relaciona directamente los pesos moleculares de los dos

componentes destilados, en una mezcla binaria de líquidos. Por lo tanto, la destilación por

arrastre con vapor de agua, en sistemas de líquidos inmisibles en ésta se llega a utilizar

para determinar los pesos moleculares aproximados de los productos o sustancias

relacionadas.

Es necesario establecer que existe una gran diferencia entre una destilación por arrastre y

una simple, ya que en la primera no se presenta un equilibrio de fases líquido-vapor entre

los dos componentes a destilar como se da en la destilación simple, por lo tanto no es

posible realizar diagramas de equilibrio ya que en el vapor nunca estará presente el

componente "no volátil" mientras esté destilando el volátil. Además de que en la

destilación por arrastre de vapor el destilado obtenido será puro en relación al

componente no volátil (aunque requiera de un decantación para ser separado del agua),

algo que no sucede en la destilación simple donde el destilado sigue presentando ambos

componentes aunque más enriquecido en alguno de ellos. Además si este tipo de

mezclas con aceites de alto peso molecular fueran destiladas sin la adición del vapor se

requeriría de gran cantidad de energía para calentarla y emplearía mayor tiempo,

pudiéndose descomponer si se trata de un aceite esencial.

Práctica 8

Extracción líquido-líquido

La extracción líquido-líquido, también conocida extracción de disolvente, es un proceso

químico empleado para separar componentes de una mezcla no homogénea mediante la

relación de sus concentraciones en dos fases liquidas inmiscibles.

En otras palabras es la transferencia de una sustancia X desde una "fase líquida A" a

otra "fase líquida B", inmiscible con la anterior. El reparto de X entre las fases A y B viene

dado por la ecuación de Nernst:

CB(X) / CA(X) = KT

Donde: CB(X) y CA(X) son las concentraciones de X en B y A respectivamente y KT el

coeficiente de reparto, que depende de la temperatura.

En muchas ocasiones una sola extracción no es suficiente para extraer un compuesto en

el solvente utilizado. Para lograr una mejor separación se utiliza el proceso de

extracciones múltiples. En este proceso se extrae una o dos veces más usando solvente

fresco y luego se combinan los extractos.

El agua es frecuentemente usada en esta técnica como uno de los solventes porque tiene

la ventaja de ser inmiscible con muchos solventes orgánicos. En el caso de usar agua y

un solvente orgánico, al separarse las fases, se obtiene lo que se conoce como la capa

acuosa (agua) y la capa orgánica. Los solutos se distribuirán entonces entre estas fases

de acuerdo a sus solubilidades relativas. Se debe mencionar que las soluciones salinas

saturadas se utilizan para extraer exceso de agua en un solvente orgánico y también para

que los compuestos orgánicos solubles en agua sean de más fácil extracción por el

solvente orgánico. Al separarse una fase orgánica de una acuosa se necesita secar el

agua que se quedó aún en la primera. Es por esa razón que se utilizan agentes secantes,

tales como: sulfato de sodio anhidro, cloruro de calcio anhidro o sulfato de magnesio.

Antes de remover el solvente estos agentes secantes se deben sacar por decantación o

filtración por gravedad.

Esta práctica consiste en una mezcla íntima entre disolución acuosa (fase acuosa) y otro

disolvente inmiscible con el agua (fase orgánica) que es el disolvente de extracción. Con

un embudo de decantaciones separarán estos dos líquidos . La posición relativa de

ambas fases (arriba o abajo) depende de la relación de densidades.

Extracción líquido-líquido paso a paso:

1- En primer lugar se vierte la disolución acuosa en el embudo de

(usamos un embudo para evitar salpicaduras). En el caso de las fotos la disolución

tiene yodo, de ahí el color, pero en nuestra práctica no. El otro líquido será acetato

de etilo, no el compuesto que figura en la foto.

2- A continuación colocamos la fase orgánica

en agua).

3- Posteriormente agitamos bien, asegurándonos de que esta cerrado el tapon y la

llave del embudo de decantación. Es recomendable abrir de vez en cuando la

válvula del embudo de manera

4- A continuación dejamos decantar, siempre con el tapón quitado.

5- Se observan claramente dos capas con distintos colores. La fase orgánica, abajo y

la inorgánica en la parte de arriba, es decir el agua.

6- Separamos las dos fases abriendo la llave con cuidado y depositando la fase

orgánica en un Erlenmeyer.

líquido paso a paso:

En primer lugar se vierte la disolución acuosa en el embudo de

(usamos un embudo para evitar salpicaduras). En el caso de las fotos la disolución

tiene yodo, de ahí el color, pero en nuestra práctica no. El otro líquido será acetato

de etilo, no el compuesto que figura en la foto.

mos la fase orgánica (el acético pasa a ser anión. Es soluble

Posteriormente agitamos bien, asegurándonos de que esta cerrado el tapon y la

llave del embudo de decantación. Es recomendable abrir de vez en cuando la

válvula del embudo de manera que los gases que se puedan formar salgan).

A continuación dejamos decantar, siempre con el tapón quitado.

Se observan claramente dos capas con distintos colores. La fase orgánica, abajo y

la inorgánica en la parte de arriba, es decir el agua.

Separamos las dos fases abriendo la llave con cuidado y depositando la fase

orgánica en un Erlenmeyer.

En primer lugar se vierte la disolución acuosa en el embudo de decantación

(usamos un embudo para evitar salpicaduras). En el caso de las fotos la disolución

tiene yodo, de ahí el color, pero en nuestra práctica no. El otro líquido será acetato

(el acético pasa a ser anión. Es soluble

Posteriormente agitamos bien, asegurándonos de que esta cerrado el tapon y la

llave del embudo de decantación. Es recomendable abrir de vez en cuando la

s que se puedan formar salgan).

A continuación dejamos decantar, siempre con el tapón quitado.

Se observan claramente dos capas con distintos colores. La fase orgánica, abajo y

Separamos las dos fases abriendo la llave con cuidado y depositando la fase

Práctica 10

Electrodiálisis. Obtención de un ácido y una base a partir de su sal

En una planta de electrodiálisis se aplican varias membranas ion-selectivas en forma de

celdas, hechas aproximadamente del mismo material que las resinas. Cada celda, que

consiste en una membrana catiónica y otra aniónica, se arregla en una pila análoga al

intercambiador de calor de placa. El espaciamiento entre las membranas es de 1mm y

entre ellas fluyen las células antes mencionadas a manera de solución salina diluyente.

Toda la pila se coloca entre una serie de electrodos de corriente Directa (CD) que forman

un campo eléctrico, bayo cuya influencia los cationes migran en dirección de la corriente

eléctrica, esto es, al polo negativo y pasan a través de la membrana catiónica hacia la

solución salina de lavado, que se recicla durante la operación. Los aniones migran en

dirección opuesta de la corriente eléctrica, es decir, hacia el polo positivo y pasan a través

de la membrana aniónica hacia la solución salina de lavado. Al igual que la solución salina

de lavado, el suero se recicla durante la operación a través de un tanque de lotes que

tiene un medidor de conductividad.

Para obtener la conductividad requerida del suero que se va a tratar, se requiere una

preconcentración de 20-28% de sólidos y una temperatura de procesamiento de 30-45°C.

El tiempo de recirculación depende del nivel de desmineralización requerido y puede ser

hasta de 6 horas, cuando se requiere una desmineralización del 90%. Por supuesto que

esto origina crecimiento de bacterias y para evitarlo se puede disminuir la temperatura lo

que, a su vez, requerirá una planta de mayor tamaño y por tanto mayor inversión, o

también se puede agregar formaldehído. A medida que aumenta el contenido de sal en el

suero, disminuye la conductividad, y para compensarlo es necesario aumentar el voltaje

aplicado. Para que el contenido de sal en el agua se mantenga en un nivel óptimo, se

diluye a medida que el proceso continúa. El exceso de solución salina se desecha por el

desagüe. Las membranas se limpian haciendo pasar solución ácida y alcalina por la

planta, operación que dura de 2 a 6 horas, dependiendo de los fabricantes de la planta.

Práctica 12

La tecnología de Electro-Oxidación para el tratamiento de aguas residuales

La electro-oxidación (también conocida como oxidación electroquímica) es un tecnología

concebida tanto para la oxidación electroquímica en el tratamiento de efluentes residuales

con carga orgánica como para la electrosíntesis selectiva de productos de valor añadido

(Chen, 2004). Como tecnología para el tratamiento de aguas, la electro-oxidación se

enmarca dentro del grupo de los Procesos de Oxidación Avanzada (POA) por cuanto es

posible generar radicales hidroxilos OH· bajo ciertas condiciones de operación y en

ciertos electrodos (Rodrigo et al., 2001; Marselli et al., 2003), oxidando la materia orgánica

hasta dióxido de carbono, no siendo necesario el consumo de reactivos químicos y

evitando la generación de fangos (Marselli et al., 2003; Panizza et al., 2006). En los

procesos de electro-oxidación, el efluente a tratar se hace circular por un reactor

heterogéneo, entrando en contacto con ánodo y cátodo, en los que tienen lugar

respectivamente las reacciones de oxidación y reducción. La diferencia de potencial

aplicada genera una corriente eléctrica continua que circula entre los electrodos, siendo

capaz de generar especies de alto poder oxidante en la superficie anódica como los

radicales hidroxilo OH· o bien conducir a la generación en el medio acuoso de agentes

oxidantes electrogenerados como hipoclorito (ClO-) o peroxodisulfato (S2O8 2-) -en

función del correspondiente anión precursor-, los cuales se encargan de oxidar la materia

orgánica hasta dióxido de carbono. Por tanto, es posible distinguir dos mecanismos

básicos de electro-oxidación en medio acuoso cuya extensión depende del material

electródico, del potencial aplicado y del electrolito soporte empleado: oxidación directa y

oxidación indirecta (Simond y Comninellis, 1997; Chiang et al., 1995; Szpyrkowicz et al.,

2001; Cañizares et al., 2002; Marselli et al., 2003). Por otra parte, las características del

efluente como concentración de materia orgánica, pH, temperatura, velocidad lineal de

circulación y configuración del reactor afectan de forma notable a la extensión de cada

uno de esos mecanismos.

La tecnología de electro-oxidación trata de hacer frente a aquellas situaciones en las que

el efluente residual posee una baja capacidad de ser oxidado, haciendo inviable su

tratamiento térmico o bien un bajo nivel de biodegradabilidad, para el que la opción

biológica no es viable.

Para valores de Demanda Química de Oxígeno por debajo 5.000 mgO2·L-1, la electro-

oxidación es una alternativa interesante como POA (Kapałka et al., 2008). Se ha utilizado

en aplicaciones para el tratamiento de efluentes con concentraciones de Demanda

Química de Oxígeno entre 1.000 mgO2·L-1 hasta 100.000 mgO2·L-1 (Fryda et al., 2003),

aunque la mayoría de las aplicaciones prácticas se encuentran por debajo del rango de

5.000 mgO2·L-1.

Por otra parte, la selección del material electródico es clave en el proceso de electro-

oxidación.

De los materiales disponibles en el mercado para electro-oxidación, el diamante dopado

con boro ha sido reconocido como un material excelente para la eliminación de materia

orgánica debido a alta estabilidad anódica y amplia ventana electroquímica (Iniesta et al.,

2001b; Chen, 2004) así como por operar con una elevada eficiencia energética bajo las

condiciones de operación adecuadas por su elevado sobrepotencial de generación de

oxígeno, es decir,

dificulta la generación de oxígeno como producto principal de la oxidación en el ánodo

(Panizza et al., 2001b; Chen, 2004). Entre las debilidades de la tecnología, el uso de

electrodos de baja eficiencia (Polcaro et al., 2003), los costes de inversión (Cañizares et

al., 2006) y esencialmente el elevado consumo de energía específico por unidad de

volumen tratado (Cañizares et al., 2002; Cañizares et al., 2006b; Cañizares et al., 2006e;

De Lucas et al., 2002). Este elevado consumo energético no solo impacta de forma

notable al proceso en cuanto a rentabilidad económica, sino que lo hace fuertemente

sobre la sostenibilidad ambiental del mismo. Es preciso por tanto buscar una

intensificación del proceso en cuanto al cambio de energía procedente de la red por otra

forma de energía con un menor impacto ambiental: la propuesta desarrollada es la

integración de energía solar fotovoltaica en el proceso.

En el presente estudio se utilizó inicialmente lignosulfonato como compuesto modelo no

biodegradable para su eliminación en el proceso de electro-oxidación, ya que las ligninas

y sus productos derivados han sido descritos como responsables de una fracción

relevante del contenido en materia biorrefractaria procedente de los efluentes de la

industria de la pulpa y el papel (Chiang et al., 1997; Chen et al., 2003; Gorenflo et al.,

2003; Machado et al., 2003; Kreetachat et al., 2007; Ghoreishi y Haghighi, 2007).