Separación de los componentes de mezclas.

Por su importancia tecnológica, conviene detenerse en los procedimientos que se utilizan para la separación de los componentes de las mezclas, independientemente de que algunos aspectos de sus fundamentos físico-químicos sean abordados a posteriori y con mayor profundidad en sus estudios. En estas separaciones nos apoyaremos por supuesto en las diferencias de las propiedades físicas y químicas de las sustancias que integran la mezcla.

Sedimentación.

La sedimentación se utiliza para separar partículas, sólidas o líquidas, que se encuentran en un fluido que puede ser un gas o un líquido. Estas partículas se separan aprovechando la fuerza gravitatoria y en ocasiones se auxilia con la fuerza centrífuga. La velocidad de sedimentación va a depender de varios factores como son el tamaño y forma de las partículas que sedimentan y la densidad y viscosidad del fluido. En forma de ecuación esto puede expresarse de acuerdo a la ley de Stokes:

donde:

V_S – velocidad se sedimentación;

g – aceleración de la gravedad;

d_p – diámetro de la partícula;

r_p – densidad de la partícula;

r_f – densidad del fluido;

m – viscosidad del fluido;

k – constante de proporcionalidad.

Son procesos muy utilizados a escala industrial y los observamos, por ejemplo, en la eliminación del polvo en una industria o local por medio de ciclones y en un tanque sedimentador de lodos en una operación de eliminación de contaminantes del agua.

Como un caso muy particular, este proceso es aplicable cuando tenemos una mezcla de un sólido insoluble en un líquido, con una densidad del sólido significativamente mayor que la del líquido, baja viscosidad del líquido y/o tamaños de partículas que permiten su sedimentación prácticamente instantánea. Extrayendo o vertiendo el líquido se logra la separación. El proceso se denomina decantación.

Centrifugación.

Como es lógico pensar, bajo determinadas circunstancias la sedimentación puede hacerse un proceso demasiado lento. Esto puede deberse a que no hay mucha diferencia entre las densidades de las sustancia a separar, una viscosidad muy grande del fluido en que están las partículas a separar o por otros fenómenos como la formación de emulsiones. Es preciso entonces suministrar una fuerza mayor para la separación. Si observamos la ecuación de Stokes, si en lugar de la aceleración de la gravedad tenemos una aceleración mucho mayor, generada por una fuerza centrífuga, pues se obtiene una mayor velocidad de sedimentación. Esto se realiza tanto a escala de laboratorio como industrial con las centrífugas. En la industria de alimentos, en la separación de la leche y la grasa que están formando una fina emulsión, la centrifugación permite separar la leche de la nata.

Flotación.

En algunos casos la sedimentación puede ser muy lenta debido a las características de las partículas. También puede suceder que no sea práctico recurrir a la centrifugación, por ejemplo debido al volumen del material a separar. Se puede recurrir entonces a la flotación. En esencia en este proceso se hace pasar aire a través del volumen de la masa de fluido. Las burbujas de aire se adhieren a la superficie de las partículas a separar, desplazando al agua que se encuentra allí y la flotabilidad de las burbujas de aire es suficiente para hacer que la partícula ascienda. Este método se utiliza en la minería para la concentración de minerales.

Filtración.

Otro método para separar las partículas sólidas que se encuentran en un fluido es la filtración. En la misma se hace pasar el flujo del líquido a través de un filtro con un tamaño de los poros determinado. Las partículas con un tamaño mayor que las de los poros, quedan retenidas. A la masa que atraviesa el filtro y que se puede recoger en un recipiente adecuado, se le denomina filtrado y a lo que se queda en el filtro residuo de la filtración. En los procesos industriales en ocasiones el producto deseado es el filtrado y en otras el residuo. La filtración es una operación muy corriente en el laboratorio, la industria y también en el hogar.

Filtración por membranas.

En este procedimiento se realizan procesos similares a los que ocurren en las membranas celulares. En esencia la membrana es permeable sólo para ciertas sustancias, fundamentalmente para el solvente. El solvente mostrará la tendencia de pasar desde donde se encuentra en mayor proporción (la solución más diluida), adonde se encuentra en menor proporción (solución concentrada). Esto generará en la superficie de la membrana una presión que se denomina presión osmótica y que veremos en mayor detalle más adelante en este texto. Si aplicamos una presión a la solución concentrada mayor que la presión osmótica, podremos detener e incluso revertir el proceso de flujo del solvente. A esto se le denomina ósmosis inversa y nos va a servir para concentrar y separar, en la fase más concentrada determinadas sustancias. Estos procesos tienen cada vez mayor influencia en la industria y un ejemplo es la purificación de agua por medio de la ósmosis inversa.

Se han diseñado numerosos tipos de membranas, selectivas a determinadas moléculas o tamaños de moléculas. En la ultrafiltración se utilizan membranas que dejan pasar a las moléculas pequeñas y retienen a las mayores de un tamaño determinado.

Cristalización.

Cuando tenemos un sólido disuelto en un líquido, su concentración se puede hacer aumentar de manera que rebase la cantidad máxima del sólido que ese líquido admite en solución en las condiciones dadas. En ese caso, si añadimos un cristal del sólido se favorecerá que las partículas del sólido se vayan uniendo a ese cristal y que haya una transferencia  neta de sólido de la fase líquida a la fase sólida. Este proceso se denomina cristalización. Uno de los ejemplos clásicos de este proceso es la obtención del azúcar a partir de los jugos concentrados de la remolacha o la caña de azúcar. En la obtención de cristales de alta pureza para la elaboración de los nuevos materiales, se utilizan procesos de formación y crecimiento de cristales muy interesantes.

Extracción con solventes.

Con mucha frecuencia resulta conveniente utilizar un líquido para separar una mezcla. Tomemos por caso que deseamos separar los componentes orgánicos que se encuentran dispersos en una fase acuosa o mezclados con sólidos (la grasa en el agua de la leche, residuos de plaguicidas en una muestra de agua). Si tratamos esa mezcla con un líquido que disuelva a las sustancias que nos interesan, estas pasarán a la fase líquida de ese solvente y así lograremos separarlas de los otros componentes de la mezcla en que se encontraban. A este proceso se le denomina extracción. Resulta evidente que en el caso en que extraigamos los componentes de un líquido, el solvente que utilicemos debe ser inmiscible con ese líquido. En el laboratorio y la industria la extracción tiene un amplio empleo.

Un caso particular de la extracción es el lavado. En este caso el material que nos interesa es el medio donde se encuentran las sustancias extraíbles. El solvente se pone en contacto con este material, se extraen los componentes no deseados y el material queda limpio, en el grado permisible por las condiciones del proceso, de las impurezas o sustancias indeseadas.

Absorción de gases.

Para determinados fines, resulta necesario eliminar o separar un gas específico de una mezcla gaseosa. Para ello se puede poner en contacto la mezcla con un líquido (por ejemplo haciendo burbujear la mezcla de gases en el líquido), que disuelva muy bien al componente que queremos eliminar o separar. La masa gaseosa que salga de este líquido quedará libre en el grado que permita el proceso específico, del gas que se absorbe. Este proceso se utiliza tanto en el laboratorio como la industria.

Secado

La eliminación del agua de diferentes mezclas sólidas y semisólidas por medio de su evaporación, se realiza de tres maneras diferentes, en dependencia de las características  de los materiales a secar:

·         A presión atmosférica, en que se suministra el calor de evaporación por medio de aire o superficies calientes y los vapores del agua se eliminan junto con el aire que está sobre el material a secar.

·         Secado bajo vacío, en que se realiza básicamente lo mismo, lo único que se aprovecha que la evaporación del agua se realiza más fácilmente bajo vacío.

·         Liofilización, en la que el vapor de agua se extrae por sublimación del material congelado a una temperatura y presión que garantice este proceso.

La determinación del % de humedad en muchas mezclas se realiza por un procedimiento de secado.

Destilación.

Cuando tenemos diferencias en la volatilidad de los integrantes de una mezcla, es posible, en principio, lograr la separación de los mismos. Aquí se puede encontrar que se tengan diferencias muy grandes en las volatilidades de las sustancias a separar, con la mezcla de una sustancia sólida no volátil y un líquido volátil en un extremo y en en el otro que tengamos diferencias pequeñas en las volatilidades de dos compuestos líquidos a separar, con toda una gama de casos entre ambos extremos.

Así, por ejemplo, si tenemos una disolución (mezcla homogénea) de un compuesto no volátil en uno volátil, podemos calentar esta mezcla y los vapores de la sustancia volátil los podremos condensar aparte, quedando en el recipiente donde se hace la destilación la sustancia no volátil. Esto es un proceso de destilación simple se utiliza en los laboratorios para obtener agua destilada, que estará relativamente libre de sales, de acuerdo a la calidad con que se realice el proceso.

Cuando tenemos líquidos volátiles mezclados, tenemos que recurrir a la destilación fraccionada. Aquí el grado de separación de los componentes que forman la mezcla, va a depender de la diferencia en su volatilidad en las condiciones de presión y temperatura dadas. Mientras mayor sea esta diferencia más fácil será lograr esta separación. La esencia del proceso radica en que la fase vapor que esté en contacto con un líquido, será más rica en el componente más volátil (de menor temperatura de ebullición. Supongamos que tenemos una mezcla de dos sustancias, la más volátil es amarilla y la menos volátil azul. Su mezcla nos dará una coloración verde (en principio), como se muestra en la figura.

Al destilarlos, los vapores serán más ricos en la sustancia más volátil y por tanto el líquido que se recoja al condensarlos será más rico en este componente más volátil que la mezcla original, lo que dará un color verde-amarillento. A su vez el residuo del balón será más rico en el componente menos volátil que la mezcla original y tendrá un color verde-azulado. Después de repetir muchas veces este proceso, al final en lo que destilemos obtendremos al componente más volátil y en el residuo tendremos al componente menos volátil.

Lógicamente en la industria esto se hace en una forma más continua en las torres de destilación, cuyo principio se ilustra en la figura. Los vapores suben desde la parte inferior de la columna (donde hay temperaturas más elevadas). Al subir, se encuentran con zonas más frías y se condensan. Para retener el líquido, en la torre se insertan los platos. Los vapores al tropezar con cada plato, burbujean en el líquido que está en el plato. Ahí se condensa en mayor proporción el componente menos volátil y parte del más volátil que está disuelto es volatilizado. Al rebosar el líquido del plato el nivel de los tubos que comunican con la sección inferior, el líquido cae al plato inferior., donde se encuentra con una temperatura mayor y el proceso se repite. El resultado neto del paso por un plato es el enriquecimiento de los vapores en el componente más volátil y del líquido en el menos volátil. Mientras más platos tenga la torre  más eficiente será la separación. En la industria, el empleo más conocido de la destilación fraccionada es en la industria del petróleo. En la industria alimentaria la obtención de destilados alcohólicos es bien conocida.

Cromatografía.

La cromatografía es un procedimiento de separación que se basa en las diferencias de interacción de las sustancias de una mezcla que viajan en el flujo de una fase móvil, (que puede ser gaseosa o líquida), con una fase sólida o líquida que permanece estacionaria. Las moléculas de las sustancias que más interactúen con la fase estacionaria, estarán más tiempo retenidas por esta, mientras que las que permanecen más tiempo en la fase móvil avanzan más rápido. En la figura esto se ilustra con las moléculas de la “sustancia roja”, que son más retenidas que las de la “sustancia azul”. Cuando se tiene un grupo de moléculas, diversos factores conducen a que se tengan “bandas cromatográficas”.

Principio de la separación cromatográfica

La separación cromatográfica puede ser lograda, por ejemplo, en una columna de vidrio, donde colocamos la fase estacionaria, por ejemplo un sólido, y hacemos pasar un líquido con la mezcla de las sustancias que queremos separar. En la figura se ilustra la separación de los hidrocarburos saturados, aromáticos y los componentes polares de una fracción de petróleo, utilizando diferentes solventes para arrastrar selectivamente a estos constituyentes.

Cromatografía en columna

Este tema es muy amplio y sus detalles los verán en el curso de Química Analítica (o su similar), pudiendo el lector interesado consultar los numerosos libros referentes a los métodos cromatográficos. No obstante, les proporciono un vínculo a una presentación de las principales técnicas cromatográficas.