Resinas impregnados de disolventes ( SIRs ) están comercialmente disponibles (macro) porosas resinas impregnadas con un disolvente / un agente de extracción . En este enfoque, un extractante líquido está contenido dentro de los poros de las partículas (de adsorción). Normalmente, el extractante es un líquido orgánico. Su propósito es extraer uno o más componentes disueltos de un ambiente acuoso circundante. El principio básico combina adsorción , cromatografía y extracción líquido-líquido .
Historia
El principio de las resinas impregnadas con solvente fue mostrado por primera vez en 1971 por Abraham Warshawsky . [1] Esta primera empresa tenía como objetivo la extracción de metales. Desde entonces, los SIR se han utilizado principalmente para la extracción de metales , ya sean metales pesados o específicamente metales radiactivos . JL Cortina y, por ejemplo, N. Kabay, K. Jerabek o J. Serarols han realizado muchas investigaciones sobre los SIR. [2] Sin embargo, últimamente las investigaciones también apuntan al uso de SIR para la separación de compuestos naturales, e incluso para la separación de productos biotecnológicos.
Principio básico
La Figura 1 a la derecha explica el principio básico, según el cual el extractante orgánico E está contenido dentro de los poros de una partícula porosa. El soluto S, que inicialmente se disuelve en la fase acuosa que rodea a la partícula SIR, se disuelve físicamente en la fase orgánica extractante durante el proceso de extracción. Además, el soluto S puede reaccionar con el extractante para formar un complejo ES. Esta complejación del soluto con el extractante desplaza el equilibrio de extracción general más hacia la fase orgánica. De esta forma se potencia la extracción del soluto. [3]
Mientras que durante la extracción líquido-líquido convencional, el disolvente y el extractante deben dispersarse, en una configuración SIR la dispersión ya se logra mediante las partículas impregnadas. Esto también evita una etapa adicional de separación de fases, que sería necesaria después de que se produzca la emulsificación en la extracción líquido-líquido. Para dilucidar el efecto de la emulsificación, la Figura 2 (a la izquierda) compara los dos sistemas de un extractante en equilibrio líquido-líquido con agua, izquierda, y partículas SIR en equilibrio con agua, derecha. La figura muestra que no se produce emulsificación en el sistema SIR, mientras que el sistema líquido-líquido muestra turbidez que implica emulsificación. Además, la etapa de impregnación disminuye la pérdida de disolvente en la fase acuosa en comparación con la extracción líquido-líquido. [4] Esta disminución de la pérdida de extractante contribuye a la absorción física del extractante en la superficie de la partícula, lo que significa que el extractante dentro de los poros no se comporta completamente como un líquido a granel. Dependiendo del tamaño de poro de las partículas usadas, las fuerzas capilares también pueden jugar un papel en la retención del extractante. De lo contrario, las fuerzas de van-der-Waals , las interacciones pi-pi o las interacciones hidrofóbicas podrían estabilizar el extractante dentro de los poros de las partículas. Sin embargo, la posible disminución de la pérdida de extractante depende en gran medida del tamaño de los poros y de la solubilidad en agua del extractante. No obstante, los SIR tienen una ventaja significativa sobre, por ejemplo, las resinas de intercambio iónico hechas a medida con ligandos unidos químicamente. Los SIR se pueden reutilizar para diferentes tareas de separación simplemente enjuagando un agente complejante y volviéndolo a impregnar con otro extractante más adecuado. De esta manera, se pueden evitar etapas de diseño y producción potencialmente costosas de, por ejemplo, resinas de afinidad . Finalmente, al llenar todo el volumen de los poros de las partículas con un extractante (agente complejante), se puede lograr una mayor capacidad de solutos que con las resinas ordinarias de adsorción o de intercambio iónico, donde solo está disponible el área superficial.
Sin embargo, existen posibles inconvenientes de la tecnología SIR, como la lixiviación del extractante o la obstrucción de un lecho fijo por desgaste de las partículas. Estos podrían remediarse eligiendo el sistema de extracción de partículas adecuado. Esto implica seleccionar un extractante adecuado con baja solubilidad en agua , que esté suficientemente retenido dentro de los poros, y seleccionar partículas mecánicamente estables como soporte sólido para el extractante. Además, los SIR se pueden estabilizar recubriéndolos, como lo muestran D. Muraviev et al. [5] Como material de revestimiento, AW Trochimczuk et al. alcohol polivinílico usado. [6]
Para eliminar o recuperar el soluto extraído, las partículas de SIR se pueden regenerar mediante extracción con vapor de agua a baja presión , [7] que es particularmente eficaz para la recuperación de hidrocarburos volátiles. Sin embargo, si la presión de vapor del soluto extraído es demasiado baja, o si la complejación entre el soluto y el extractante es demasiado fuerte, es necesario aplicar otras técnicas, por ejemplo, variación del pH.
Técnicas de preparación
Las principales técnicas de impregnación son la impregnación húmeda y la impregnación seca . Durante la impregnación húmeda, las partículas porosas se disuelven en el extractante y se dejan empapar con el fluido respectivo. [8] En este enfoque, las partículas se ponen en contacto con una cantidad precalculada de extractante, que empapa completamente en la matriz porosa, o las partículas se ponen en contacto con un exceso de extractante. Después de remojar, el extractante restante, que no está dentro de los poros, se evapora.
Si se usa el método húmedo, el extractante se disuelve en un solvente adicional antes de la impregnación. A continuación, las partículas porosas se dispersan en la solución extractante-disolvente. [8] Después de remojar las partículas, el exceso de disolvente se puede filtrar o evaporar. En el primer caso, una mezcla de extractante-disolvente quedaría retenida dentro de los poros. Esto sería de interés para extractantes que serían sólidos en condiciones de diseño cuando fueran puros. En el segundo caso, solo el extractante permanecería dentro de los poros. La Figura 3 muestra partículas porosas dispersas en una solución acuosa después de la impregnación en húmedo. El corte de la Figura 3 muestra un segmento agrandado de la superficie de dicha partícula impregnada. Una técnica adicional, aunque no tan utilizada, es el método de adición de modificadores. Esta técnica se basa en el uso de un sistema extractante / disolvente / modificador. Se supone que el modificador adicional mejora la penetración del extractante en los poros de las partículas. [8] Posteriormente se evapora el solvente, dejando extractante y modificador en los poros de las partículas.
Además, se puede utilizar el método de columna dinámica. Las partículas se ponen en contacto con un disolvente hasta que se empapan por completo. Esto se puede hacer antes o después del empaquetado en la columna. El lecho de relleno se enjuaga con el extractante líquido hasta que las concentraciones de entrada y salida son los mismos. [8] Este enfoque es particularmente interesante cuando las partículas ya están empaquetadas en una columna y deben reutilizarse para una aplicación SIR.
Aplicaciones
SIR en extracción de metales
En su mayoría, los SIR se han investigado y utilizado para la recuperación de metales pesados. [9] [10] [11] Las aplicaciones incluyen la eliminación de cadmio, vanadio, cobre, cromo, iridio, etc.
Extracción de orgánicos
También recientemente se han investigado otras aplicaciones de extracción, por ejemplo, la recuperación a gran escala de orgánicos apolares en plataformas petrolíferas en alta mar utilizando la denominada tecnología de extracción de polímeros macroporosos (MPPE). [12] En una aplicación de este tipo, donde las partículas SIR están contenidas en un lecho empacado, los caudales de 0.5 m 3 h −1 hacia arriba sin restricciones de flujo máximo pueden aparentemente ser tratados en costos competitivos con el decapado / carbón activado , vapor y bio. sistemas de tratamiento , según el desarrollador de la tecnología. Investigaciones adicionales, en su mayoría realizadas en un entorno académico, incluyen compuestos orgánicos polares como aminoalcoholes , [13] ácidos orgánicos , [14] [15] aminoácidos, [16] flavonoides , [17] y aldehídos en una escala de laboratorio o piloto. -escala. Además, la aplicación de SIR para la separación de solutos más polares, como por ejemplo éteres y fenoles , se ha investigado en el grupo de AB de Haan. [18]
Aplicaciones en biotecnología
Las aplicaciones en biotecnología se desarrollaron solo recientemente. Esto se debe a la sensibilidad de los bioproductos como las proteínas hacia los extractantes orgánicos.
Un enfoque de C. van den Berg et al. se centra en el uso de partículas impregnadas para la recuperación in situ de fenol de fermentaciones de Pseudomonas putida utilizando líquidos iónicos . [19] Un mayor desarrollo condujo al uso de cápsulas de polisulfona de alta capacidad. [20] Estas cápsulas son básicamente partículas huecas rodeadas por una membrana . El interior está completamente lleno de extractante y, por lo tanto, aumenta la capacidad de impregnación en comparación con los SIR clásicos.
Un enfoque completamente nuevo del uso de SIR para la separación o purificación de productos biotecnológicos como las proteínas se basa en el concepto de impregnación de partículas porosas con soluciones acuosas de polímeros desarrollado por B. Burghoff. Estas resinas impregnadas en fase polimérica acuosa sintonizable (TAPPIR) [21] mejoran la extracción acuosa en dos fases (ATPE) mediante la aplicación de la tecnología SIR. Durante la extracción acuosa clásica de dos fases, los componentes biotecnológicos, como las proteínas, se extraen de soluciones acuosas utilizando una segunda fase acuosa. Esta segunda fase acuosa contiene, por ejemplo, polietilenglicol (PEG). Por un lado, una baja diferencia de densidad y una baja tensión interfacial entre las dos fases acuosas facilitan una transferencia de masa comparativamente rápida entre las fases. Por otro lado, el PEG parece estabilizar las moléculas de proteína, lo que da como resultado una desnaturalización de la proteína comparativamente baja durante la extracción. Sin embargo, un inconveniente significativo del ATPE es la emulsificación persistente, que hace que la separación de fases sea un desafío. La idea detrás de TAPPIR es aprovechar las ventajas que presentan los SIR, a saber, una baja pérdida de extractante debido a la inmovilización en los poros y una menor emulsificación que en la extracción líquido-líquido. De esta manera, se podrían remediar los inconvenientes de ATPE. La configuración consistiría en una columna empaquetada o un lecho fluidizado en lugar de un equipo de extracción líquido-líquido con pasos adicionales de separación de fases. No obstante, hasta ahora solo los primeros estudios de viabilidad están en camino para probar el concepto. La desventaja de este método es el modo de trabajo no continuo. La columna empaquetada se procesa de manera similar a una columna cromatográfica.
Referencias
- ^ Warshawsky, A. (1971). Solicitud de patente sudafricana 71/5637.
- ^ Kabay, N .; Cortina, JL; Trochimczuk, A .; Streat, M. (2010). "Resinas impregnadas de disolvente (SIR) - Métodos de preparación y sus aplicaciones". Reaccionar. Funct. Polym. 70: 484–496.
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