Título

ELIMINACIÓN DE METALES PESADOS DE EFLUENTES LÍQUIDOS A TRAVÉS DE CONTACTORES A MEMBRANA LÍQUIDO-LÍQUIDO

Código

C04E06

Area

CIENCIAS EXACTAS

Duración

3 años

Organismo de Contraparte de CONICYT: ECOS

Año de la Convocatoria : 2004

Sitio Web del Proyecto

Resumen del Proyecto

El objetivo de este estudio es analizar a través de un trabajo teórico y experimental el proceso de extracción de metales pesados de efluentes acuosos, utilizando para ello un sistema de contacto con membranas líquido-líquido.

En Chile, la contaminación por presencia de metales pesados en suelo y agua es un problema relevante derivado de la gran actividad minera que se desarrolla en el país.

Un proceso de "contactor a membrana", es un sistema en el cual se colocan en contacto dos fases inmiscibles, las cuales están separadas por una membrana porosa. La naturaleza de la membrana permite el contacto de las dos fases en circulación, produciendo así la estabilización de la interfase que se forma en los límites de la porosidad de la membrana. Los potenciales de concentración que se generan entre las dos soluciones en contacto inducen un flujo de materia a través de la membrana. Si bien la presencia de la membrana significa una resistencia adicional a la transferencia de materia, la geometría de ciertos módulos, como por ejemplo los de fibra hueca (hollow fiber) permiten obtener áreas superficiales de contacto significativamente superiores a aquellas obtenidas en operaciones de contacto directo. En algunos casos, cierto tipo de membranas pueden alcanzar valores de área específica que varían entre 1600 y 6600 m²/m³, mientras que las torres empacadas convencionales no superan los 300 m²/m³. Además la presencia de la membrana produce una estabilización de la interfase a través de la cual se produce el intercambio de componentes.

En este proyecto se desea abordar la extracción y recuperación de metales pesados (Cu, Ni, Cd) presentes en efluentes líquidos a través de una operación de contacto con membranas en la cual la solución de extracción es una disolución de agentes de acomplejación. De un lado de la membrana circulará el efluente a tratar y del otro lado una solución complexante. De esta manera, los metales pesados serán retirados de la corriente a tratar mediante un mecanismo de acomplejación que está controlado por la diferencia de concentración entre la solución a tratar y la solución de extracción.

El proceso puede describirse a través de cuatro etapas, dependiendo de la naturaleza de la membrana (hidrofilica o hidrófoba). La elección de la membrana depende de las condiciones de transferencia al interior de la poros de ésta, por ejemplo si la membrana es hidrófoba, la solución acuosa no podrá penetrar la porosidad y la interfase líquido-líquido se formará a la entrada del poro, de esa manera la transferencia se efectúa en cuatro etapas: 1) difusión a través de la capa límite de la solución a tratar; 2) disolución-acomplejación; 3) difusión al interior de la porosidad de la membrana y 4) difusión a través de la capa límite de la solución de extracción.

Dentro del análisis a realizar, se utilizarán dos tipos de solución de extracción: una disolución con un solvente orgánico convencional (n-hexano) y una segunda utilizando como solvente un fluido supercrítico (CO₂ SC). Las disoluciones de extracción están constituidas por un soluto que juega el rol de agente de acomplejación (calixarenos, ciclofanos, esferandos y éteres corona) del ión metálico a extraer de la solución acuosa.

Para abordar el trabajo experimental se utilizarán soluciones modelos, con el fin de determinar de mecanismos de transferencia que controlan el proceso de separación a través de la membrana. Se realizarán separaciones a través de módulos especiales de monofibra que permiten analizar la operación utilizando condiciones hidrodinámicas simplificadas.

La descripción teórica del proceso será realizada a través de la modelación de un sistema de resistencias en serie que involucra a la membrana y a las capas límite. El conjunto de ecuaciones de transferencia, así como los métodos de predicción del equilibrio de fases y propiedades de transporte son resueltos numéricamente de manera simultánea. Para efectos de cálculo el sistema se supone en estado estacionario. El transporte a través de las capas límite es caracterizado por correlaciones de los coeficientes de transferencia de masa. Estas ecuaciones están adaptadas a la geometría del módulo utilizado. El equilibrio de fases es descrito por correlaciones de datos experimentales presentes en la bibliografía. Por otro lado, el transporte de materia a través de la membrana es descrito por mecanismos de difusión molecular dentro de la porosidad de ésta.

Dentro de los resultados más importantes que se pretende obtener está la identificación de los parámetros de operación que determinan la selectividad y rendimiento del proceso, pudiendo así optimizar las condiciones de trabajo y las características estructurales de las membranas a utilizar en este tipo de sistemas.

Proyectos asociados

Proyecto FONDECYT n�1040240: Estudio teórico-experimental de la permeación de fluidos supercríticos y la separación de mezclas a alta presión a través de membranas microporosas.

Investigador Responsable: Dr. Julio Romero

En este estudio se analiza el transporte y la separación de fluidos a alta presión a través de membranas microporosas. Especificamente, la transferencia de masa para mezclas con solventes supercríticos.

Un fluido supercrítico es aquel cuya temperatura y presión son superiores a las del punto crítico, en esta condición el fluido no presenta cambios de estado o presencia de interfases cuando se presenta un cambio de densidad. Las propiedades termodinámicas y de transporte del fluido en estas condiciones presentan valores de transición entre la fase líquida y la fase gaseosa. La variación de estas propiedades es muy drástica y rápida en función de la presión y la temperatura. La combinación de propiedades de fase líquida, como es una constante dieléctrica elevada ligada a una alta densidad y propiedades de transporte similares a la de los gases, hacen de estos fluidos una alternativa interesante a los solventes convencionales.

Actualmente, el fluido más utilizado como solvente supercrítico, es el dióxido de carbono (CO₂), el cual además de las características ya mencionadas, tiene bajo costo, es inerte, no tóxico y presenta un punto crítico relativamente bajo (7.38 MPa y 304.15 K). Sin embargo, a pesar de las ventajas ya mencionadas, la utilización de este tipo de fluidos como solventes implica la realización de un ciclo de compresiones y descompresiones sucesivas con el fin de extraer y separar el soluto de interés. Este ciclo representa la mayor parte del requerimiento energético del proceso y limita gran parte de sus aplicaciones.

La principal motivación de este proyecto es estudiar experimental y teóricamente la separación de mezclas a alta presión utilizando membranas microporosas, con el fin de proponer un método de separación del soluto sin necesidad de descomprimir el solvente supercrítico.

La separación de mezclas a alta presión se realiza utilizando membranas porosas. Las membranas utilizadas en esta operación son llamadas microporosas (diámetros de poro menores a 2 nm) con el fin de realizar una separación a escala molecular. Este tipo de nanofiltración se estudia teórica y experimentalmente con el fin de crear una operación que permita regenerar solventes supercríticos utilizados en extracción sin descomprimir el gas a alta presión. Así, no se realiza la etapa de descompresión-recompresión para separar el soluto del solvente supercrítico.

La transferencia a través de microporos ha sido estudiada principalmente para sistemas gaseosos. Los resultados expuestos en la literatura muestran que los mecanismos de transporte de los fluidos a través de estos materiales no responden a mecanismos clásicos de tipo fickeano, existiendo una fuerte interacción entre el fluido y las paredes de los poros, generalmente representada como efectos de adsorción. Sin embargo, no son numerosos los intentos por describir este tipo de fenómenos con fluidos a alta presión, ya sea al estado líquido o en condiciones supercríticas. En este estudio se pretende realizar una descripción del flujo de materia a través de las membranas microporosas mediante modelos que consideran los efectos microscópicos entre las moléculas del fluido y el material, realizando mediciones de permeabilidad de diferentes fluidos con un dispositivo simple que permita obtener valores de densidad de flujo en función de las variables de operación.

La caracterización de la transferencia de materia a través de sólidos microporosos y su comprensión no se limita exclusivamente a este caso. Los resultados de este trabajo son necesarios para el desarrollo de nuevos procesos como por ejemplo los llamados "reactores a membrana", dispositivos que permiten acoplar reacción y separación en una misma unidad.

Proyecto MECESUP USA 0115: Mejoramiento de la Educación Ambiental en la Universidad de Santiago de Chile: Integración Multidisciplinaria de Métodos e Instrumentos.

Investigador Responsable: Dr. Fernando Corvalán

Se propone implementar en la Universidad de Santiago de Chile, un Proyecto integrado de educación medio ambiental, a partir de la gestión y la coordinación multidisciplinaria y pluri-instrumental, entre diversas unidades académicas y laboratorios, originalmente monodisciplinarios. Esta visión se inserta en el contexto de la actual política ambiental del Gobierno de Chile, la que busca fundar una gestión y una cultura ambiental sustentables sobre la base de un desarrollo económico equitativo y equilibrado o armónico respecto del medio ambiente.

El proyecto establecerá una gestión integrada de recursos, planta física y metodologías modernas para preservación, manejo y educación ambiental, orientada a la formación de profesionales de pregrado, a partir de la integración coherente de actividades educacionales en carreras, cursos, programas de educación continua y proyectos de investigación aplicados a la docencia sobre la temática medioambiental.

El proyecto integrará objetivos, recursos y actividades en estrecha colaboración con organismos externos, nacionales e internacionales, tales como la Comisión Nacional del Medio Ambiente (CONAMA), la Organización Panamericana de la Salud (OPS) y centros universitarios de desarrollo en nuevas tecnologías, procesos de producción limpios, gestión ambiental, contaminación de aire, agua y suelos, planificación del territorio, metodologías de educación ambiental, salud humana y desarrollo sustentable.

El proyecto es innovador por cuanto pretende diseñar e implementar un modelo de educación ambiental que integre los aportes de diferentes disciplinas aplicadas al medio ambiente. Además, representa un primer esfuerzo de incorporación a todo el pregrado de los principios del desarrollo sustentable y, propone la elaboración y aplicación de un modelo de gestión del ambiente al interior del campus universitario.

Los principales beneficios que se obtendrán del proyecto son:

Lo anterior se logrará mediante: