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UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA”DE ICA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL
Tema:
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UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA”DE ICA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL
“Año de la Integración Nacional y el Reconocimiento de Nuestra Diversidad”
ING. AQUILES BENDEZÚ B. INTEGRANTES:
QUISPE HUAYLLA , Shirley HERRERA VARGAS ,Yessenia CAYLLAHUA ROJAS ,Luz Kelly GARCIA GAMBOA, Carmen Elizabeth Huancahuari yarasca anain Andia morales Silvio H.
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAl 2 1 0
IX- CICLO
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“Año de la Integración Nacional y el Reconocimiento de Nuestra Diversidad”
ING. AQUILES BENDEZÚ B. INTEGRANTES:
QUISPE HUAYLLA , Shirley HERRERA VARGAS ,Yessenia CAYLLAHUA ROJAS ,Luz Kelly GARCIA GAMBOA, Carmen Elizabeth Huancahuari yarasca anain Andia morales Silvio H.
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAl 2 1 0
IX- CICLO
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DEDICATORIA
A Dios por brindarme la oportunidad y la dicha de la vida, al brindarme los medios necesarios para continuar continuar nuestra formación en esta vida vida profesional , y siendo un apoyo incondicional para lograrlo ya que sin UD. no hubiéramos podido llegar ya casi a nuestro ultimo escalón.
A nuestros docentes en cada Escuela de los rincones más apartados de nuestro estado y nuestra grande Patria, quienes laboran con la materia más valiosa de nuestra patria, las mentes, la personalidad, la formación integral de nuestros niños y niñas, y, son en definitiva, formadores de los hombres y mujeres del mañana, sobre la bases de valores morales, éticos y de mucho humanismo, quienes con mucha paciencia y bondadoso amor cincelan los corazones de los más pequeños.
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I.
INTRODUCCIÒN
Una de las actividades más importantes en la industria esta enfocada a los procesos ya sean químicos, físicos o biológicos, estos procesos poseen una serie de etapas u operaciones que son comunes entre si y a las cuales se les a denominado procesos de separación. El conocimiento práctico de los procesos de separación les abre el panorama de la utilidad y aplicación de sus conocimientos anteriores en el campo de la industria ya sea ambiental, alimenticia, biotecnológica o farmacéutica .El presente manual de prácticas tiene como objetivo introducir al estudiante al conocimiento de los procesos de separación, y al mismo pretende que éste desarrolle habilidades habilidades prácticas en el manejo de equipo y variables de operación en los procesos de separación más comunes en la industria. Durante el curso se analizan los procesos de separación mecánica como centrifugación, filtración (filtro prensa y rotatorio),procesos de membrana como es el caso de ultrafiltración y micro filtración. Por otro lado dentro de los procesos gobernados por el equilibrio se propone llevar a la práctica procesos de evaporación, destilación, extracción líquido-líquido, extracción sólido-líquido y adsorción, mientras que para las operaciones concernientes a los proceso de acabado se realizaran sesiones practicas de secado y cristalización. El laboratorio de bio separaciones es un complemento importante para la mejor compresión de las asignaturas teóricas de bio separaciones mecánicas, bioseparaciones fluido-fluido y bio separaciones separaciones sólido-fluido. sólido-fluido.
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II.
Lixiviación: Definición de la operación unitaria:
Lixiviación es la eliminación de una fracción soluble, en forma de solución, a partir de una fase sólida permeable e insoluble a la cual está asociada. La separación implica, normalmente, la disolución selectiva, pero en el caso extremo del lavado simple, consiste sólo en el desplazamiento de un líquido intersticial por otro, con el que es miscible. El constituyente soluble puede ser sólido o líquido y estar incorporado, combinado químicamente o adsorbido, o bien mantenido mecánicamente, en la estructura porosa del material insoluble. El sólido insoluble puede ser másico y poroso. Debido a su gran variedad de aplicaciones y su importancia para diferentes industrias antiguas, la lixiviación tiene otros nombres. Entre los que se encuentran en la ingeniería química están la extracción, la extracción de sólido-líquido, sólido-líquido, la percolación, la infusión, el lavado y la decantación por sedimentación. Este proceso tiene la particularidad de que el constituyente soluble puede ser sólido o líquido y estar incorporado, combinado químicamente o adsorbido, o bien mantenido mecánicamente, en la estructura porosa del material insoluble. El sólido insoluble puede ser másico y poroso,
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Con mayor frecuencia de partículas de poros abiertos con paredes celulares selectivamente permeables. Diversas son las aplicaciones de esta operación unitaria en las diferentes industrias, tales como: La industria de procesos biológicos y alimenticios, la industria farmacéutica, la industria metalúrgica entre otras. La industria de procesos biológicos y alimenticios, puesto a que, muchos productos se separan de su estructura natural original por medio de una lixiviación líquido-sólido. Como ejemplo de ello un proceso importante es la lixiviación de azúcar de las remolachas con agua caliente. Por otra parte en la producción de aceites vegetales, se emplean disolventes orgánicos como hexano, acetona y éter, para extraer aceite de cacahuate, soya, semillas de lino, semillas de ricino, semillas de girasol, semillas de algodón, harina, pasta de palo e hígado de hipogloso. En la industria farmacéutica se obtiene una gran diversidad de productos por lixiviación de raíces, hojas y tallos de plantas. En la producción de café “instantáneo” so luble, el café tostado y molido se somete a una lixiviación con agua pura. El té soluble se fabrica por lixiviación de hojas de té con agua. El tanino se extrae de las cortezas de árboles por lixiviación con agua. Los procesos de lixiviación son de uso común en la industria metalúrgica. Los metales útiles suelen encontrarse en mezclas con grandes cantidades de constituyentes indeseables, indeseables, y la lixiviación permite extraerlos en forma de sales solubles. Las sales de cobre se disuelven o se lixivian de los minerales molidos que contienen otras sustancias por medio de soluciones de ácido sulfúrico o amoniacal. Las sales de cobalto y níquel se lixivian de sus minerales con mezclas de ácido sulfúrico-amoniacosulfúrico-amoniacooxígeno. La lixiviación de oro a partir de sus minerales, se basa en el uso de una solución acuosa de cianuro de sodio. El hidróxido de sodio se lixivia de una suspensión decarbonato de calcio e hidróxido de sodio, que se prepara haciendo reaccionar Na2CO3 con Ca (OH) 2. Dada la importancia de la aplicación del proceso de lixiviación en las diferentes industrias, en el siguiente trabajo se pretende mostrar una breve revisión bibliográfica
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de esta operación unitaria, en la que se incluya la descripción del proceso, los mecanismos por los cuales se rige, sus métodos de operación, los parámetros de diseño involucrados, equipos utilizados entre otros. Todo esto con la finalidad de que el estudiante de Ingeniería Química adquiera los conocimientos necesarios acerca de este proceso, para afrontar futuras situaciones que requieran el conocimiento y peripecia de dicha operación unitaria, logrando entonces un eficaz desempeño en sus labores en las diversas áreas de los procesos.
III.
EQUIPOS DE LIXIVIACIÓN
Se clasifican en dos categorías principales según el tipo de contacto: •Los que realizan la lixiviación por percolación. •Aquellos en que las partículas sólidas se dispersan en un líquido y, posteriormente, se
separan de él. Por percolación existen dos tipos
1. Percoladores por cargas Se trata de un gran tanque circular o rectangular de fondo falso. Los sólidos que se van a lixiviar se dejan caer al tanque hasta una profundidad uniforme. Se rocían con un disolvente hasta que su contenido de soluto se reduce hasta un mínimo y a continuación se excavan. El flujo en contracorriente del disolvente a través de una serie de tanques es habitual, entrando nuevo disolvente al tanque que contiene el material más agotado. Algunos tanques funcionan a presión, para contener disolventes volátiles o incrementar el índice de percolación. Una serie de tanques a presión que funcionan con flujo de disolvente en contracorriente se denomina batería de difusión.
2. Percoladores continuos Los sólidos gruesos se lixivian, también, mediante la percolación en equipos de lecho móvil, incluyendo clasificadores basculantes de plataforma sencilla o múltiple, equipos de contacto mediante cestos y transportadores horizontales de bandas. 2
Estos son: -Extractor tipo Bollman -Extractor tipo Rotocel -Percolador de banda sinfín -
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Extractor tipo Kennedy
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a) Extractor tipo Bollman Este tipo de extractor es muy peculiar, ya que cuando trabajamos con sólidos resulta muy difícil operar de forma continua, sin embargo este tipo de extractor lo permite. Es una unidad elevadora de cestas diseñada para manejar de 2.000 a 20.000 kg/h de sólidos desmenuzables. Los cubetos (cestas) con el fondo perforado se colocan en una banda con movimiento sinfín. Los sólidos secos, alimentados a los cestos que descienden, se rocían con disolvente parcialmente enriquecido. Al elevarse, los cestos, en la otra sección de la unidad, los sólidos se rocían con disolvente puro en contracorriente. Los sólidos agotados se descargan de los cestos, en la parte superior de la unidad, a un transportador de palas; y el disolvente enriquecido se impulsa desde el fondo de la unidad.
Extractor tipo Bollman b) Extractor tipo Rotocel
Está formado por compartimentos en forma de sectores anulares, con pisos permeables al líquido que giran alrededor de un eje central. Los compartimentos pasan de forma sucesiva por el punto de alimentación, por un conjunto de rociadores de disolvente, una sección de drenaje y una de descarga (donde el fondo tiene una abertura para descargar los sólidos extraídos.
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Extractor tipo Rotocel
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c) Percolador de banda sinfín Es similar al Rotocel, pero la alimentación, la pulverización de disolvente, el drenaje y los puntos de descarga son lineales en vez de circulares.Algunos ejemplos son el extractor del tipo Smet de banda (sin compartimentos) y el de tipo Lurgi de banda con bastidores (con compartimentos). d) Extractor tipo Kennedy
En este equipo, el disolvente fluye por gravedad de cámara a cámara, en contracorriente con el movimiento de los sólidos. Está compuesto por una serie lineal de cámaras horizontales a través de las cuales se desplazan, en sucesión, los sólidos a lixiviar por medio de un impulsor, de velocidad lenta. Existe la posibilidad de efectuar drenajes entre las etapas cuando el impulsor provoca la elevación de los sólidos por encima del nivel de líquido antes de vaciarlos en la siguiente cámara.
IV. EXISTEN DOS TIPOS DE EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO Y ESTO DEPENDE DE LA FORMA EN QUE SE REALIZA EL PROCESO : I.EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO : Aquellos en que las partículas sólidas se dispersan en un líquido y, posteriormente, se separan de él. En ésta última categoría, se dan dos tipos: a) Extracción sólido-líquido discontinua La separación de una mezcla de compuestos sólidos también se puede llevar a cabo aprovechando diferencias de solubilidad de los mismos en un determinado disolvente. En el caso favorable de una mezcla de sólidos en la cual uno de los compuestos es soluble en un determinado disolvente (normalmente un disolvente orgánico), mientras que los otros son insolubles, podemos hacer una extracción consistente en añadir este disolvente a la mezcla contenida en un vaso de precipitados, un matraz o una cápsula de porcelana, en frío o en caliente, agitar o triturar con ayuda de una varilla de vidrio y separar por filtración la disolución que contiene el producto extraído y la fracción insoluble que contiene las impurezas. Si, al contrario, lo que se pretende es disolver las impurezas de la mezcla sólida, dejando el producto deseado como fracción insoluble, el proceso, en lugar de extracción, se denomina lavado.
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B) Extracción sólido-líquido continúa : (Lixiviación continúa de las
dispersiones de sólidos)
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Las operaciones unitarias físicas regidas por transferencia de materia están basadas en un fenómeno denominado difusión. Las masas se ponen en movimiento o intentan mezclarse como consecuencia de que existen en el fluido gradientes de concentración. Cuando se colocan dos fases que no se encuentran en equilibrio en relación con un determinado componente lo que ocurre es que dicho componente se transfiere de una a otra intentando alcanzar el equilibrio (Fisicanet, 2005) La extracción sólido – líquido es una operación básica cuya finalidad es la separación de uno o más componentes contenidos en una fase sólida, mediante la utilización de una fase líquida o disolvente. El componente o componentes que se transfieren de la fase sólida a la líquida reciben el nombre de soluto, mientras que el sólido insoluble se denomina inerte. La extracción sólido – líquido recibe distintos nombres según la finalidad del proceso; así se le conoce también como lixiviación, lavado, percolación, etc. La finalidad de esta operación puede ser diversa, pues en algunos casos es necesario eliminar algún componente no deseable de algún sólido mediante disolución con un líquido, denominándose lavado a este proceso de extracción. Sin embargo, en otros casos se desea obtener un componente valioso que está contenido en un sólido, disolviéndolo en un líquido, denominándose a esta operación lixiviación. El termino percolación se refiere al modo de operar, vertido de un líquido sobre un sólido, más que al objetivo perseguido. La forma en que el soluto este contenido en el sólido inerte puede ser diverso. Así puede ser un sólido disperso en el material insoluble o estar recubriendo su superficie. También puede tratarse de un líquido que este adherido o retenido en el sólido, o bien estar contenido en su estructura molecular. Este tipo de operaciones se llevan a cabo en una sola o múltiples etapas. Una etapa es una unidad de equipo en donde se ponen en contacto las fases durante un tiempo determinado, de forma que se realiza la transferencia de materia entre los componentes de las fases y va aproximándose al equilibrio a medida que transcurre el tiempo. Una vez alcanzado el equilibrio se procede a la separación mecánica de las fases. En realidad es difícil que en una etapa se llegue al equilibrio, por lo que para el cálculo de las etapas reales es preciso definir la eficacia. Para una etapa es el cociente entre el cambio en la composición que se logra realmente y el que debería haber tenido lugar en una situación de equilibrio bajo condiciones de trabajo. Las formas de operación utilizadas en los procesos de extracción pueden ser en continuo o discontinuo . En discontinuo puede utilizarse una etapa simple o bien múltiples etapas con disolvente nuevo en cada etapa o en contracorriente. Una etapa simple consta de un mezclador con agitación, donde se ponen en contacto el sólido y el disolvente durante un cierto tiempo de contacto. A continuación se lleva a un separador, donde se obtienen las fases extracto y refinado, después de un cierto tiempo de reposo. No siempre se utilizan equipos, sino que en uno solo se pueden realizar las etapas de extracción y separación, denominándose extractor a este tipo de equipo.
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A.
LIXIVIACIÓN DE UNA DISPERSIÓN DE SÓLIDO
Dentro de este tipo explicaremos varios equipos tales como:
Tanques agitados por cargas
Estos tanques son agitados mediante impulsores coaxiales (turbinas, paletas o hélices) que se utilizan habitualmente para la disolución por cargas de sólidos en líquidos. La principal función del agitador es proporcionar disolvente no agotado a las partículas de material durante el período que se encuentran en el tanque y circular suavemente los sólidos a través del fondo del tanque o suspenderlos simplemente por encima del fondo. Después de producida la lixiviación se pueden separar los sólidos mediante el asentamiento y la decantación, o con filtros externos, centrífugas o es pesadores.
Principio de operación: La principal función del agitador es proporcionar disolvente no agotado a las partículas de material durante el período que se encuentran en el tanque y circular suavemente los sólidos a través del fondo del tanque o suspenderlos simplemente por encima del fondo. Después de producida la lixiviación se pueden separar los sólidos mediante el asentamiento y la decantación, o con filtros externos, centrífugas o es pesadores. Los sólidos que forman lechos impermeables, bien antes o durante la lixiviación, se tratan dispersándolos mediante agitación mecánica en un tanque o mezclador de flujo. El residuo lixiviado se separa después de la disolución concentrada por sedimentación o filtración. De esta forma se pueden lixiviar pequeñas cantidades de material por cargas en un tanque agitado, con una salida en el fondo para retirar el residuo sedimentado. La lixiviación continua en contracorriente se obtiene con varios espesadores de gravedad conectados en serie, como se muestra en la (Figura Nº2) o bien, cuando el contacto en un espesador no resulta adecuado, colocando un tanque de agitación entre cada pareja de espesadores.
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(2) Figura Nº2: Planta de lixiviación en contracorriente(A:lixiviador, B: rastrillo, C: Bomba de lodos).
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- Características de diseño: Estos tanques son agitados mediante impulsores coaxiales (turbinas, paletas o hélices) que se utilizan habitualmente para la disolución por cargas de sólidos en líquidos. Para sólidos gruesos, se han diseñado muchos tipos de tanques con agitación. En estos casos, los tanques cilíndricos cerrados se colocan en forma vertical (Figura Nº3a) y se les ponen remos o agitadores sobre ejes verticales, lo mismo que fondos falsos para el drenado dela solución de lixiviación al final del proceso. En otros casos, los tanques son horizontales, como en la Figura Nº3b, con el agitador colocado sobre un eje horizontal. En algunos casos, un tambor horizontal es el tanque de extracción y el sólido y el líquido se golpean dentro mediante la rotación del tambor sobre rodillos, como en la Figura Nº3c. Estos aparatos se operan por lotes y proporcionan una sola etapa de lixiviación.
- Aplicaciones: Estos equipos se han utilizado bastante en las instalaciones europeas mas antiguas y en las sudamericanas, para la lixiviación de aceites vegetales a partir de semillas.
Figura Nº3: Tanques de lixiviación por lotes con agitación. 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
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Tanques Pachuca
Los minerales de oro, uranio y otros metales se lixivian con frecuencia por cargas en grandes recipientes agitados, mediante aire, que se conocen como tanques Pachuca. Un tanque típico es un cilindro vertical con la sección de fondo cónica. Antes de descargar el aire en la superficie del líquido, el aire en el interior provoca una importante circulación, con un sustancial flujo de la mezcla que, posteriormente, desciende por la parte interior del recipiente.
Aplicaciones: Este tipo de equipos se utiliza en la lixiviación de los minerales como oro, uranio y otros metales.
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LIXIVIACIÓN CONTINUA DE LAS DISPERSIONES DE SÓLIDOS
B.
El extractor tipo Bonotto vertical de platos (LIXIVIADOR POR INMERCION)
Consiste en una columna dividida en compartimentos cilíndricos mediante la disposición de platos horizontales espaciados a distancias iguales. Cada plato tiene una abertura radial (rendija) colocada a 180° con respecto a las aberturas de los platos situados inmediatamente por encima y por debajo y que se limpian mediante un raspador radial giratorio. Alternativamente, los platos pueden montarse sobre un eje coaxial y rotar sobre palas estacionarias. Los sólidos caen como una cortina en el disolvente que fluye hacia arriba por la torre. Los sólidos son retirados por el fondo del equipo mediante un tornillo sinfín y un compactador.
Extractor tipo Bonotto vertical de platos
El extractor tipo Hildebrandt de inmersión total
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En este equipo, La superficie helicoidal se perfora, para que el disolvente pueda atravesar la hélice en contracorriente. Los tornillos sinfín están diseñados de modo que permitan la compactación de los sólidos durante su paso por la unidad. Existen ciertas posibilidades de que se produzcan pérdidas de disolvente y un flujo excesivo de alimentación, por lo que el funcionamiento más adecuado está limitado a sólidos ligeros y permeables. 3 1 a n i g á
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V.
ALGUNOS EJEMPLOS SON:
El azúcar se separa por lixiviación de la remolacha con agua caliente.
Los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas, como los de soya y de algodón mediante la lixiviación con disolventes orgánicos.
La extracción de colorantes se realiza a partir de materias sólidas por lixiviación con alcohol o soda.
Dentro de esta tiene una gran importancia en el ámbito de la metalurgia ya que se utiliza mayormente en la extracción de algunos minerales como oro, plata y cobre. También se utiliza en Tecnología Farmacéutica
A continuación una presentación sobre LIXIVACIÓN
Los sistemas de extracción de componentes comprenden tanto las técnicas tradicionales de percolación e inmersión, como las nuevas tecnologías de extracción 2 1 0 2 e
mediante fluidos supercríticos Actualmente existe una creciente demanda por alimentos de alto valor añadido, en
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donde ya sea que se: incorporen principios activos, tales como vitaminas, aceites
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esenciales, agentes antioxidantes, aromas o bien que se eliminen sustancias del
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producto, tales como cafeína, lactosa, colesterol, grasa, etc.
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VI.
EQUIPO UTILIZADOPARA LA EXTRACCIÓNDE COMPONENTES POR LIXIVIACIÓN:
SISTEMA CONTINUO DE EXTRACTORESSÓLIDO-LÍQUIDO POR PERCOLACIÓN
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VII. EXTRACCION CON FLUIDOS SUPERCRITICOS Cuando un fluido se somete a condiciones por encima de su presión y temperatura críticas, se encuentra en su estado SUPERCRÍTICO. En este estado, la línea de separación de fases líquido-gas se interrumpe. Esto implica la formación de una sola fase en la que el fluido tiene propiedades intermedias entre las de un líquido y las de un gas: así pues, mientras se mantiene una gran difusividad (propia de los gases), se consigue una alta densidad (cercana a la de los líquidos). Al igual que los gases, la densidad de los FSC varía enormemente con la presión y la temperatura, aunque se alcanzan densidades muy cercanas a las de los líquidos. Así pues la propiedad más característica de los fluidos supercríticos es el amplio rango de altas densidades que pueden adoptar dependiendo de las condiciones de presión y/o temperatura (a diferencia de los líquidos que son prácticamente incompresibles y de los gases que poseen densidades siempre muy bajas). Dada la relación directa entre la densidad de un fluido con su poder solvatante, tenemos que los fluidos supercríticos pueden variar enormemente su capacidad de solvatación mediante pequeñas variaciones en la presión y/o temperatura. Teniendo en cuenta estas características, los FSC se convierten en disolventes ideales puesto que su enorme difusividad les permite penetrar perfectamente a través de matrices porosas y su capacidad de solvatación modulable les permite una gran versatilidad y selectividad según las condiciones de presión y temperatura a las que se sometan. Sus aplicaciones principales son pues: 1. EXTRACCIÓN (especialmente de productos naturales): no deja residuos, se obtienen extractos de alta pureza y no requiere altas temperaturas 2. PRECIPITACIÓN: obtención de cristales con morfología muy uniforme, alta pureza y libres de residuos de disolvente 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
3. MEDIO DE REACCIÓN: la existencia de una sola fase permite una óptima transferencia de masa y de energía. Sin duda el fluido más utilizado tanto a nivel de investigación como en aplicaciones industriales es el CO2. Se trata de un gas inocuo, abundante y barato cuyas condiciones críticas son relativamente bajas (31ºC, 73 atm) y por tanto fáciles de operar.
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EXTRACCION Y PURIFICACION DE ANTOCIANINAS A PARTIR DE RESIDUOS DE UVA . . Resumen: La industria vinícola genera unos residuos de la uva, de los que se pueden recuperar ó derivar productos valiosos como etanol, ácido cítrico, tartratos, antocianinas y aceite. En este trabajo se estudia la recuperación de antocianinas, pigmentos de gran aplicación en la industria alimentaria como aditivos naturales. Se han aplicado técnicas de extracción sólido/líquido, utilizando disolventes extractantes formados por agua y alcohol con ácidos. Se ha analizado la influencia de variables de operación tales como relación disolvente/sólido, pH, temperatura, humedad, método de agitación y forma de contacto; extracción simple y múltiple. También se ha diseñado y puesto a punto una columna para llevar a cabo la extracción de antocianinas de forma continua. Se ha intentado aumentar la cantidad de antocianinas recuperadas degradando parcialmente el residuo antes de la extracción, mediante un ataque con enzimas del grupo de las celulasas. Se ha puesto a punto un metodo para purificar y concentrar los extractos obtenidos, mediante neutralización de ácido tartárico, filtración de tartrato ácido de potasio y destilación a vacío de metanol. Por útlimo se ha diseñado una planta piloto para la obtención de concentrado de antocianinas en la que se recuperarían y reutilizarían todos los reactivos.
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PROPIEDADES CRÍTICAS DE DIFERENTES FLUIDOS
Fluido
Temperatura Crítica Presión [°C] [bar]
Crítica
Densidad [kg/m3]
Etileno
9.3
50.4
220
Xenón
16.6
58.4
120
Dióxido de Carbono
31.1
73.8
470
Etano
32.2
48.8
200
Óxido Nitroso
36.5
71.7
450
Propano
96.7
42.5
220
Amoníaco
132.5
112.8
240
I-Propanol
235.2
47.6
270
Metanol
239.5
81.0
270
Agua
374.2
220.5
320
Tolueno
318.6
41.1
290
Crítica
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Productos extraídos a nivel industrial por fluidos super críticos:
Material procesado
CO2
Producto extraído
Carbón activado, catalizadores
Disolventes
contaminantes
Gramos de café
CO2
cafeína
Suelos, sedimentos fluviales
CO2/H2O
pesticidas
Flores de lúpulo
CO2
extracto de lúpulo
Soluciones acuosas
CO2
fenoles
Tabaco
CO2
nicotina
Soluciones de polímeros
CO2
poliestireno
Yema de huevo
CO2/surfactante
colesterol
Soluciones
CO2
Especies y plantas aromáticas
BSA
aceites esenciales
CO2/surfactante
CO2/cosolvente
Componentes
Tejidos biológicos
lípidos
grasas
CO2
CO2
Madera
Alquitrán
lignina
fracciones aromáticas
Alcoholes
tolueno
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Gramos oleaginosos
Petróleo
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aceite
2
e
acuosas
de
proteínas
electrónicos,
fibras ópticas
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VIII. EN EL MECANISMO DE EXTRACCIÓN DE UN SOLUTO CONTENIDO EN UN SÓLIDO MEDIANTE UN LÍQUIDO OCURREN LAS SIGUIENTES ETAPAS: 1. Cambio de fase del soluto: Paso del soluto desde el sólido al líquido2. Difusión del soluto en el disolvente contenido en los poros del sólido: Se da la transferencia del soluto desde el interior del sólido hasta la superficie del mismo debido a la diferencia de concentración de éste en la interface sólido-líquido (gradiente de concentración) y la superficie exterior del sólido. En esta etapa se obtiene la siguiente expresión de transferencia de materia:
Ecuación Nº 1: Velocidad de transferencia de materia en la difusión del soluto en el disolvente contenido en los poros del sólido
3. Transferencia del soluto desde la superficie de la partícula sólida hasta el seno de la disolución: Cuando el soluto alcanza la superficie se transfiere al seno de la disolución, esta transferencia de materia se da por transporte molecular y turbulento. La velocidad de transferencia de materia en esta etapa es:
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IX.
MECANISMOS DE LA SEPARACIÓN SÓLIDO-LIQUIDO
La separación de sólido y líquidos de una mezcla se puede realizar mediante métodos puramente mecánicos y térmicos. La figura 1.3 muestra estos métodos y las operaciones o procesos a los que da origen.
Las operaciones térmicas de secado y vaporización pueden separar
totalmente la mezcla de sólidos y líquidos, cosa que no logra ninguna de las operaciones mecánicas. Sin embargo, las operaciones térmicas raramente se utilizan por sí solas en empresas.
mineras debido a su alto consumo de energía. Cuando se las utiliza, ellas van precedidas de las operaciones mecánicas mencionadas y las complementan para disminuir la humedad residual de la fase sólida. Donde sí se utiliza el secado y la vaporización es en el laboratorio para la determinación de la concentración de una suspensión o la humedad de un queque de filtración.
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Las operaciones mecánicas de separación sólido-líquido se basan en tres mecanismos, la sedimentación, la consolidación y el flujo en medios porosos. Se denomina sedimentación al proceso de asentamiento de un material sólido líquido desde un fluido, generalmente agua o aire, desde un estado de suspensión. El proceso se observa en la naturaleza en los procesos geológicos de formación de los depósitos de rocas y minerales
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y, mucho más visiblemente, en la sedimentación de gotas de agua o hielo, denominada lluvia o granizo respectivamente, o en la deposición de polvo. También se muestra en forma esquemática la sedimentación de esferas sólidas en un líquido. La eficiencia de la separación depende principalmente de la magnitud del campo de fuerza de cuerpo aplicada, gravitacional o centrífuga, de la diferencia de densidades entre las partículas sólida y líquida, del tamaño de las partículas y de la viscosidad del líquido. La cantidad de líquido de una suspensión que es capaz de separar la sedimentación es toda aquella que no llena los poros del sedimento formado.
La separación sólido-líquido por métodos mecánicos forma parte de una gran área de técnicas de separación de fases sólidas, líquidas y gaseosas. Este tipo de separación aparece en un extenso número de procesos industriales en los diversos campos de la economía. A ella pertenece:
la eliminación de agua desde suspensiones en la industria,
la recuperación de agua en procesos de la minería,
la purificación de aguas domiciliarias,
la eliminación de polvo,
la desgasificación de líquidos
la eliminación de espumas, entre muchos otros procesos. ( Separación y
Procesos Biotecnológicos)
Es, entonces, pertinente poner los procesos de separación sólido-líquido dentro del contexto de las operaciones de separación de fases.
2 1 0
1. LA ELIMINACIÓN DE AGUA DESDE SUSPENSIONES EN LA INDUSTRIA, La separación sólido-líquido en el tratamiento de aguas residuales industriales (grafico) separador de las aguas residuales zootécnicas:
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X.
PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES.
Operación unitaria en el TRATAMIENTOS PRIMARIOS
Filtración:
Separación de fases:
Separación sólido-líquido: separación de sólidos en suspensión. Se suelen emplear La sedimentación, la flotación (para sólidos de baja densidad) y la filtración. http://www.analizacalidad.com/docftp/fi1110aguas.pdf
la recuperación de agua en procesos de la minería,
Separación sólido-líquido en procesos de minería
Cada vez que mencionamos el concepto separación sólido-líquido, no debemos olvidar su importancia y obviamente la gran utilidad que puede tener aplicado a muchas ciencias, sin embargo, la que más va a utilizar y aplicar este concepto, es sin duda alguna, la minería. Desde los inicios de la misma, y dado el estado natural 2 1 0
en el que se encuentran los minerales y metales en los yacimientos, se hace muy
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necesaria la aplicación de la separación solido-liquido a través de procesos
e
especiales, ya que muchos elementos no reaccionan igual o adquieren diferentes
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características cuando se encuentran mezcladas con algún líquido. Naturalmente, , generando rapidez y reducción de tiempo en lograr los efectos requeridos.
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XI. APLICACIONES PRÁCTICAS
Las aplicaciones importantes de la extracción sólido-líquido en la industrias alimenticias son: extracción de aceites y grasas animales y vegetales, lavado de precipitados, obtención de extractos de materias animales o vegetales, obtención de azúcar, fabricación de té y café instantáneo, entre otras:
Los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas, como los de soja y de algodón mediante la lixiviación con disolventes orgánicos como: éter de petróleo, hexano, etc.
Extracción de colorantes a partir de materias sólidas por lixiviación con alcohol o soda.
En ecología para indicar el desplazamiento hacia los ríos y mares de los desechos y excrementos, además de otros contaminantes como pueden ser los fertilizantes; producido por el mismo proceso indicado para el fenómeno químico.
En geología en el proceso de lavado de un estrato de terreno o capa geológica por el agua.
En el tratamiento de los minerales concentrados y otros materiales que contienen metales, la lixiviación se efectúa por medio de un proceso húmedo con ácido que disuelve los minerales solubles y los recupera en una solución cargada de lixiviación.
Metalurgia Extractiva: para trabajar los minerales principalmente oxidados. Desde un tiempo a esta parte se realiza la lixiviación de minerales sulfurados de cobre mediante procesos de lixiviación bacteriana
Obtención de azúcar.
Fabricación de té y café instantáneo.
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XII. LA EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO TIENE GRAN IMPORTANCIA EN UN GRAN NÚMERO DE PROCESOS INDUSTRIALES:
A.
LIXIVIACION EN LA INDUSTRIA METALURGICA.-
La lixiviación O extracción sólido-liquido, es un proceso en el que un disolvente líquido se pone en contacto con un sólido pulverizado para que se produzca la disolución de uno de los componentes del sólido. Es también el proceso que se usa en la metalurgia, para trabajar los minerales principalmente oxidados. Desde un tiempo a esta parte se realiza la lixiviación de minerales sulfurados de cobre mediante procesos de lixiviación bacteriana. En el caso de la lixiviación de los minerales de oro (oxidos) el diseño de los pads son de acuerdo a la morfología de la zona, de acuerdo a esto estaremos iniciando los detalles para la selección del tipo de Pad, ya sea pad reutilizable, expandible o el caso de lixiviación tipo valle (caso de Pierina )
LOS PROCESOS METALÚRGICOS Los procesos de extracción de metales permiten la recuperación de metales a partir de minerales o concentrados. Los siguientes tratamientos forman parte de la metalurgia extractiva: Procesos pirometalúrgicos: incluyen las operaciones donde se aplican temperaturas elevadas, tales como los procesos de tostación, fusión, conversión, refinación a fuego. Extracción hidrometalúrgica: es el tratamiento con un agente químico diluido en agua, capaz de disolver los elementos valiosos para separarlos y dejar un material de desecho como residuo insoluble. A este proceso también se le denomina lixiviación. Refinación electrolítica: provoca el depósito de un metal contenido en una solución previamente acondicionada y permite obtener un metal de alta pureza Para la extracción de metales generalmente se usan dos o más de los procesos antes mencionados. 2 1 0
En todas las etapas del proceso metalúrgico para obtener metales, se pueden producir efluentes metalúrgicos, los cuales pueden contener: alto contenido de sólidos en suspensión, alta acidez y alta concentración de metales disueltos.
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Los procesos metalúrgicos constan de dos operaciones: 1º La concentración, que consiste en separar el metal o compuesto metálico del material residual que lo acompaña en el mineral, que lo contiene en estado natural. 2º El refinado, en el que se trata de producir el metal en un estado puro o casi puro, adecuado para su empleo, para ello se eliminan las impurezas que quedan en el mineral. Tanto para la concentración como para el refinado se emplean tres tipos de procesos: Mecánica , química y eléctrica. En la mayoría de los casos se usa combinación de los tres. - Operaciones físicas: triturado, molido, filtrado(a presión o al vacío),centrifugado, decantado, flotación, disolución, destilación, secado, precipitación física. - Operaciones químicas: tostación, oxidación, reducción, hidrometalurgia, electrólisis, hidrólisis, lixiviación mediante reacciones ácido-base, precipitación química, electrodeposición, cianuración
La cianuración 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
La cianuración es un tratamiento termoquímico que se da a los aceros. Cuando se quiere obtener una superficie dura y resistente al desgaste, esto se logra empleando un baño de cianuro fundido, la cianuración se puede considerar como un tratamiento intermedio entre la cementación y la nitruración ya que el endurecimiento se consigue por la acción combinada del carbono y el nitrógeno a una temperatura determinada. La cianuración es un proceso que se aplica al tratamiento de las menas de oro.
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Separación por gravedad Este sistema se basa en la diferencia de densidad entre los metales nativos y compuestos metálicos y los demás materiales con los que están mezclados en la roca. Cuando se tritura el mineral o el concentrado de mineral y se suspende en agua o en un chorro de aire, las partículas de metal o del compuesto metálico, más pesadas, caen al fondo de la cámara de procesado y el agua o el aire se llevan la ganga (material residual), más ligera
La flotación La flotación es hoy el método más importante de concentración mecánica. En su forma más simple, es un proceso de gravedad modificado en el que el mineral metálico finamente triturado se mezcla con un líquido. El metal o compuesto metálico suele flotar, mientras que la ganga se va al fondo. En algunos casos ocurre lo contrario. El proceso de flotación ha permitido explotar muchos depósitos minerales de baja concentración, e incluso residuos de plantas de procesado que utilizan técnicas menos eficientes. En algunos casos, la llamada flotación diferencial permite concentrar mediante un único proceso diversos compuestos metálicos a partir de un mineral complejo.
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La concentración electroestática Utiliza un campo eléctrico para separar compuestos de propiedades eléctricas diferentes, aprovechando la atracción entre cargas opuestas y la repulsión entre cargas iguales. 7 2 a n i g á
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La fundición Proporciona un tonelaje mayor de metal refinado que cualquier otro proceso. Aquí, el mineral metálico, o el concentrado de un proceso de separación mecánica, se calienta a elevadas temperaturas junto con un agente reductor y un fundente. El agente reductor se combina con el oxígeno del óxido metálico dejando el metal puro, mientras que el fundente se combina con la ganga para formar una escoria líquida a la temperatura de fundición, por lo que puede retirarse de la superficie del metal. La producción de hierro en los altos hornos es un ejemplo de fundición; este mismo proceso se emplea para extraer de sus minerales el cobre, el plomo, el níquel y muchos otros metales.
La amalgación Es un proceso metalúrgico que utiliza mercurio para disolver plata u oro formando una amalgama. Este sistema ha sido sustituido en gran medidapor el proceso con cianuro, en el que se disuelve oro o plata en disoluciones de cianuro de sodio o potasio. En los diversos procesos de lixiviación o percolación se emplean diferentes disoluciones acuosas para disolver los metales contenidos en los minerales. Los carbonatos y sulfuros metálicos se tratan mediante calcinación, calentándolos hasta una temperatura por debajo del punto de fusión del metal.
La sinterización y la ondulación Aglomeran partículas finas de mineral. En la primera se utiliza un combustible, agua, aire y calor para fundir las partículas finas de mineral y convertirlas en una masa porosa. En la ondulación, las partículas se humedecen, se convierten en pequeños nódulos en presencia de un fundente de piedra caliza y a continuación se cuecen.
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Otros procesos Entre los que destacan la piro metalurgia (metalurgia de altas temperaturas) y la destilación, se emplean en etapas posteriores de refinado en diversos metales. En el proceso de electrólisis (Electroquímica), el metal se deposita en un cátodo, bien a partir de disoluciones acuosas o en un horno electrolítico.
PROCESO DE OBTENCION DEL COBRE.En los yacimientos de cobre de minerales oxidados, el proceso de obtención de cobre se realiza en tres etapas que trabajan como una cadena productiva, totalmente sincronizadas.
Lixiviación en pilas.La lixiviación es un proceso hidrometalúrgico que permite obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso se basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de soluciones ácidas. a) Chancado: El material extraído de la mina (generalmente a rajo abierto), que contiene minerales oxidados de cobre, es fragmentado mediante chancado primario y secundario (eventualmente terciario), con el objeto de obtener un material mineralizado de un tamaño máximo de 1,5 a ¾ pulgadas. Este tamaño es suficiente para dejar expuestos los minerales oxidados de cobre a la Infiltración de la solución ácida.
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b) Formación de la pila: El material chancado es llevado mediante correas transportadoras hacia el lugar donde se formará la pila. En este trayecto el material es sometido a una primera irrigación con una solución de agua y ácido sulfúrico, conocido como proceso de curado, de manera de iniciar ya en el camino el proceso de sulfatación del cobre contenido en los minerales oxidados. En su destino, el mineral es descargado mediante un equipo esparcidor gigantesco, que lo va depositando ordenadamente formando un terraplén continuo de 6 a 8 m de altura: la pila de lixiviación. Sobre esta pila se instala un sistema de riego por goteo y aspersores que van cubriendo toda el área expuesta. Bajo las pilas de material a lixiviar se instala previamente una membrana impermeable sobre la cual se dispone un sistema de drenes (tuberías ranuradas) que permiten recoger las soluciones que se infiltran a través del material. 9 2 a n i g á
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c) Sistema de riego: a través del sistema de riego por goteo y de los aspersores, se vierte lentamente una solución ácida de agua con ácido sulfúrico en la superficie de las pilas. Esta solución se infiltra en la pila hasta su base, actuando rápidamente. La solución disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre, la que es recogida por el sistema de drenaje, y llevada fuera del sector de las pilas en canaletas impermeabilizadas. El riego de las pilas, es decir, la lixiviación se mantiene por 45 a 60 días, después de lo cual se supone que se ha agotado casi completamente la cantidad de cobre lixiviable. El material restante o ripio es transportado mediante correas a botaderos donde se podría reiniciar un segundo proceso de lixiviación para extraer el resto de cobre. De la lixiviación se obtienen soluciones de sulfato de cobre (CUSO4) con concentraciones de hasta 9 gramos por litro (gpl) denominadas PLS que son llevadas a diversos estanques donde se limpian eliminándose las partículas sólidas que pudieran haber sido arrastradas. Estas soluciones de sulfato de cobre limpias son llevadas a planta de extracción por solvente.
Extracción por solvente : En esta etapa la solución que viene de las pilas de lixiviación, se libera de impurezas y se concentra su contenido de cobre, pasando de 9gpl a 45 gpl, mediante una extracción iónica. Para extraer el cobre de la solución PLS, ésta se mezcla con una solución de parafina y resina orgánica. La resina de esta solución captura los iones de cobre (CU+2) en forma selectiva. De esta reacción se obtiene por un lado un complejo resina cobre y por otro una solución empobrecida en cobre que se denomina refino, la que se reutiliza en el proceso de lixiviación y se recupera en las soluciones que se obtienen del proceso. El compuesto de resin cobre es tratado en forma independiente con una solución electrolito rica en ácido, el que provoca la descarga del cobre desde la resina hacia el electrolito (solución), mejorando la concentración del cobre en esta solución gasta llegar a 45 gpl. Esta es la solución que se lleva a la planta de electroobtención. 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
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Electroobtención Esta etapa corresponde al desarrollo de un proceso electrometalúrgico mediante el cual se recupera el cobre disuelto en una solución concentrada de cobre. En la siguiente figura podemos observar el diagrama de flujo de este proceso:
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LA BIOLIXIVIACION EL PROCESO DE METALURGIA La biolixiviación o lixiviación bacteriana es un proceso natural de disolución, ejecutado por un grupo de bacterias que tienen la habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo la liberación de los valores metálicos contenidos en ellos. • Por mucho tiempo, se pensó que la lixiviación de metales era un proceso netamente químico. El descubrimiento de bacterias acidófilas, ferro y sulfooxidantes, ha sido primordial en la definición de la lixiviación como un proceso catalizado biológicamente. El producto final de la biolixiviación es una solución ácida que contiene metal en su forma soluble.
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VENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA MICROBIANA 1. Requiere poca inversión de capital, ya que las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas. 2. Presenta bajos costos en las operaciones hidrometalúrgicas, en comparación con los procesos convencionales. 3. Ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso. 4. Permite el tratamiento de creciente stock de minerales de baja ley que no pueden ser económicamente procesados por los métodos Tradicionales. Actualmente, los siguientes procesos microbiológicos son de importancia en la hidrometalurgia: 1. Oxidación de sulfuros, azufre elemental y hierro ferroso. 2. Producción de compuestos orgánicos, peróxidos, etc., por microorganismos organotróficos, los que atacan minerales oxidando o reduciendo los elementos con valencia variable. 3. Acumulación de elementos químicos o en su precipitación por microorganismos. .
ECOLOGÍA También es aplicable el término en ecología para indicar el desplazamiento hacia los ríos y mares de los desechos y excrementos, además de otros contaminantes como pueden ser los fertilizantes; producido por el mismo proceso indicado para el fenómeno químico. Es considerado el fenómeno de desplazamiento de nutrientes siendo estos arrastrados por el agua, provocado este a su vez por la deforestación antropogénica (causada por el hombre). 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
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La lixiviación produce el desplazamiento de sustancias solubles o dispersables (arcilla, sales, hierro, humus, etc.); y es por eso característico de climas húmedos (Pluvisilva, etc.). Esto provoca que los horizontes superiores del suelo pierdan sus compuestos nutritivos, arrastrados por el agua; se vuelvan más ácidos, ya que queda compuestos insolubles (Aluminio); y a veces, también se origine toxicidad. También se pierden grandes cantidades de fertilizantes, al igual que los compuesto nutritivos. En climas muy húmedos, la vegetación natural (sobre todo la forestal) sirve de protección contra lixiviación. Cuando el hombre la destruye, este proceso se acelera considerablemente y la retención de nutrientes en la zona radical se interrumpe (ya no hay raíces). Otras formas de contribuir a la lixiviación son mediante el empleo de fertilizantes con elevada acidez, el riego excesivo y cultivos que retienen muchos nutrientes del suelo. Este proceso se ve asociado también a los fenómenos de Meteorización. Otro efecto de este proceso natural se produce cuando determinadas concentraciones de sustancias y componentes tóxicos que se encuentran en el suelo, al entrar en contacto prolongado con el agua, se difunden al medio y lo agreden. 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
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GEOLOGÍA En la ciencia geológica se entiende como lixiviación al proceso de lavado de un estrato de terreno o capa geológica por el agua. Como también por placas ácidas encontradas en las sales que disuelven casi cualquier material sólido. La materia orgánica presente en los residuos sólidos urbanos (RSU) se degrada formando un líquido contaminante, de color negro y de olor muy penetrante, denominado lixiviado. Además, este líquido arrastra todo tipo de sustancias nocivas: Se han encontrado hasta 200 compuestos diferentes, algunos de ellas tóxicos y hasta cancerígenos. La humedad de los residuos y la lluvia son los dos factores principales que aceleran la generación de lixiviados. 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
Tratamiento de lixiviados es muy similar a la depuración de aguas residuales, aunque con algunas diferencias debido a su alta carga orgánica. Los aspectos económicos y técnicos marcan el tipo de tratamiento más adecuado para cada caso concreto, combinándose en muchas ocasiones varios de ellos.Los sistemas más extendidos en la actualidad son los que tratan el lixiviado en el mismo lugar ("in situ"), gracias a sus buenos resultados y al encarecimiento de las otras opciones. Los métodos más simples están basados en la evaporación, natural o apoyada por sistemas de riego por
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aspersión o pulverización, o mediante inyección del lixiviado en túneles o naves cerradas. Asimismo, el mercado ofrece una gran variedad de tratamientos in situ, tanto biológicos como físico-químicos:
Los tratamientos biológicos presentan varias modelos: Aerobios, consistentes en la degradación de los compuestos orgánicos de los lixiviados por la acción de microorganismos en presencia de oxígeno y agitación; anaerobios, mediante una población bacteriana en ausencia de oxígeno; y lagunaje profundo, por el que se 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
depuran los lixiviados en balsas o lagunas mediante la flora bacteriana de las mismas Los tratamientos físico-químicos son más caros que los anteriores, pero necesitan instalaciones más pequeñas y sencillas y son menos sensibles a las variaciones del medio. En este caso, las técnicas empleadas son: Precipitación química, que consiste en acelerar la decantación de los sólidos en suspensión agregando determinadas sustancias; oxidación química, en la que se degradan los compuestos orgánicos del
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lixiviado mediante agentes oxidantes; adsorción, donde se utiliza un filtro de carbón activo para depurar las sustancias contaminantes; y osmosis inversa, por la que se filtra el líquido a través de membranas a diferentes presiones Por su parte, los tratamientos en un lugar distinto del vertedero ("off-site"), normalmente depuradoras de aguas residuales urbanas o industriales, se emplean cuando no hay más opción y si estas instalaciones admiten cargas orgánicas muy elevadas, aunque en poco caudal.
XIII. Fabricación de café y te instantáneo Proceso de extracción (solido-liquido) del café instantáneo Un ejemplo de la vidacotidiana es la preparación de la infusiónde café. En este proceso,la sustancia aromática delcafé (soluto) se extraecon agua (disolvente) delcafé molido (material deextracción, formado por la fase portadora sólida yel soluto). En el casoideal se obtiene lainfusión de café(disolvente con lasustancia aromáticadisuelta) y en el filtro dela cafetera queda el cafémolido totalmentelixiviado (fase portadorasólida).
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En la práctica, al término de la extracción, la fase portadorasólida siempre contendrá todavía una parte del soluto en elsólido. Además, una parte del disolvente permanecerá tambiénligada de forma adsorbato a la fase portadora sólida.
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Para conseguir una extracción lo más rápida y completa posible del sólido, se tiene que ofrecer al disolventesuperficies de intercambio grandes y recorridos dedifusión cortos. Esto se puede lograr triturando el sólido aextraer. Un tamaño de grano demasiado pequeño puedecausar, por el contrario, apelmazamiento que dificulta el paso del disolvente. Y En la forma más sencilla de esta operación básica semezclan bien el material de extracción y el disolvente. Acontinuación se separa y se regenera el disolvente juntocon el soluto en él disuelto. El material de extracción puede estar presente también como lecho fijo,que es atravesado por el disolvente.En otra forma de aplicación, elmaterial de extracción percolaatravés del disolvente. Y La regeneración del disolventeconsiste, generalmente, en un proceso de evaporación / destilación.En él se elimina parte del disolventey queda una solución concentrada deextracto como producto. Eldisolvente se condensa y se puedereutilizar.
EQUILIBRIO En extracción sólido liquido, siempre esta presente una cantidad suficiente de disolvente para disolver todo el soluto que entra con el sólido y no exista adsorción del soluto por el sólido, el equilibrio sealcanza cuando el soluto se disuelve completamente y laconcentración de la disolución que se forma es uniforme. Tal condición puede alcanzarse fácilmente o con dificultad, dependiendode la estructura del sólido.
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Para una extracción se deben considerar los siguientes factores queintervienen o afectan tanto la velocidad de extraccion como la calidad: •
Tipo desolvente a utilizar:
El solvente empleado debe solubilizar al soluto* agua = azúcar; •Alcohol = pectina y gomas; •Solventes orgánicos = grasas y aceites) -El solvente ideal es el agua (bajo
costo, no tóxica, no inflamable, no corrosiva), sin embargo no siempre tiene una capacidad de extracción adecuada-El solvente empleado debe tener el mayor coeficiente de transferencia de masa posible. •
Temperatura delproceso
Al aumentar la temperatura del proceso: aumenta la solubilidad del soluto en el solventeaumenta el coeficiente de difusión del solvente en laspartículas de sólidoLo que provoca una mayor velocidad de extracciónSin embargo, temperaturas muy elevadas puedendeteriorar el producto o provocar la evaporación delsolventeSe debe encontrar la temperatura más adecuada paracada caso en particular.
Tamaño de particula del solido
Cualquiera que sea el método de extracción empleado, generalmente la materia prima(sólido) que contiene al soluto debe acondicionarse(corte, trituración, molienda)para propiciar el contacto con el solvente y facilitar su extracción.
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Al aumentar la temperatura seaumenta la velocidad porquela solubilidad es mayor, elaumento de temperatura esmuy usado en procesos dereacción química. Latemperatura máxima paracada sistema está limitada por: el punto de ebullición delsolvente, el punto dedegradación del producto odel solvente, solubilidad deimpurezas y por economía. La concentración del solvente esimportante para solucionesacuosas, debido a la saturación ya la existencia de reaccionesquímicas, es de poca importanciacuando la extracción escontrolada por difusión. La reducción de partículas tienegran importancia, porqueaumenta el área de contacto ydisminuye el tiempo necesario para la extracción, sobre todo para sólidos de baja porosidad. La porosidad permite que ellíquido penetre a través de loscanales formados por losdentro del sólido, aumentandoasí el área activa para laextracción. La agitación dáuna mayor eficiencia en la extraccióndebido a que disminuye la película de fluido que cubre lasuperficie del sólido en reposoy que actúa como unaresistencia a la difusión.
MÉTODOS DE OPERACIÓN Se pueden realizar por lotes o por semilotes y también encondiciones totalmente continuas. Se utilizan dos técnicasprincipales de manejo: la aspersión (o goteo del liquido sobre elsólido) y la completa inmersión del sólido en el liquido. La elección del equipo que se utilizara, depende bastante de laforma física de los sólidos y de las dificultades y costo de manejo.
FENÓMENOS CONSECUTIVOS DE LA EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO Hasta llegar al equilibrio entre el sólido y el líquido se presentan tres fenómenos
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Cambio de fase del soluto por inmediato contacto sólido - solvente Difusión del soluto en el solvente contenido dentro de los poros del sólido por difusióncinética o molecular sin convección. Paso del soluto de la superficie del sólido a la masa de la solución, dada por la difusióny convección de la masa líquida.Para los fenómenos anteriores se considera la relación equilibrio.
velocidad durante laoperación, obteniendo el equilibrio cuando todo el soluto o la cantidad que de él se precisapara saturar la solución han pasado a disolución.
CONSIDERACIONES DE LA EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO.
No existe reacción química entre el Principio Activo y el agua pues se trata de unfenómeno de disolución (Hinojosa, 2002) La gama de sustancias presentes en el sólido se comportan física y químicamente deidéntica forma en cada partícula del sólido considerando una sola especie química.
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La forma geométrica del sólido se aproxima mediante un único diámetro equivalentemedio constante para intervalos de contacto cortos. Independientemente del nivel de turbulencia del proceso, donde la transferencia demasa se produce por difusión molecular. Las velocidades de transferencia de materia son iguales debido al tamaño de laspartículas, no afectando el espesor de la película estacionaria formada en el entorno dela masa del sólido. El espesor de la película estacionaria es infinitesimalmente más pequeña que eldiámetro equivalente medio de partícula.
PROCESO DE EXTRACCION DEL AZUCAR DE LA REMOLACHA AZUCARERA XIV.
El azúcar se extrae de la remolacha azucarera y de la caña de azúcar, a través de un proceso totalmente natural, en el que intervienen conjuntamente la física, la química y hasta la biología. El azúcar es sacarosa. Esta sustancia, además de en otros elementos de la naturaleza, se encuentra en la raíz de la remolacha y en la propia caña de azúcar. Se trata de un hidrato de carbono, formado por glucosa y fructosa. En España, prácticamente el 99% del azúcar producido se extrae de la remolacha azucarera, ya que el cultivo de caña de azúcar en nuestro país es minoritario. La raíz de la remolacha recolectada llega a las fábricas, donde es analizada para conocer su riqueza en sacarosa (polarización). Una vez que ésta se encuentra en la industria, se somete a un proceso dividido en varias etapas, al final del cual se obtiene el azúcar tal y como lo consumimos. Estas etapas son, básicamente, la preparación o lavado de la remolacha, molienda, difusión, depuración, evaporación, cocción, cristalización, centrifugación, secado, almacenamiento y envasado del azúcar. 2 1 0 2
Preparación y molienda de la remolacha
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La raíz de la remolacha, ya en fábrica, es sometida a un proceso de lavado en varias fases en el que, con la utilización de agua, se eliminan la tierra, piedras, hojas y demás elementos extraños que la acompañan. Posteriormente es cortada en unas finas tiras denominadas "cosetas". Las dimensiones de estas tiras son importantes para obtener unos buenos resultados en la siguiente fase.
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Difusión En esta fase, la coseta es sometida, durante un tiempo limitado, a una contra corriente de agua con una temperatura y PH determinados que extraerá la sacarosa de estas raíces. El agua resultante que contiene la sacarosa recibe el nombre de "jugo de difusión". Este "jugo de difusión" que, además de sacarosa, contiene otras sustancias, debe ser depurado para eliminar precisamente estos otros elementos no azúcares. Esta depuración se realiza mediante un proceso calcocarbónico, en el que se utiliza cal y gas carbónico. Estos dos productos asociados, poseen la propiedad de precipitar y, por lo tanto, eliminar parte de los no azúcares presentes en el "jugo de difusión". Las separaciones de éstos se realizan con las correspondientes filtraciones, después de las cuales se obtiene el llamado "jugo depurado". Este jugo es una solución azucarada con una gran cantidad de agua que es preciso evaporar. Así, durante la siguiente fase, es sometido a procesos de evaporación sucesivos hasta obtener un jugo concentrado, con un 30% de agua y un 70% de masa sólida diluida (dentro de la cual está la sacarosa), que recibe el nombre de "jarabe".
Cocción y cristalización Este jarabe se introduce en unos depósitos denominados "tachas", que trabajando al vacío, lo concentran hasta un punto de sobresaturación. Mediante la siembra controlada de micro-cristales de azúcar, la sacarosa cristaliza con ellos y crecen hasta alcanzar un determinado tamaño comercial (entre las 450 y 550 micras). 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
El producto resultante de esta cocción, llamado "masa cocida", está compuesto de sólidos llamados "azúcar" y de líquido denominado "miel madre". Esta "masa cocida" es sometida a un proceso de centrifugaciones sucesivas, en el que se conseguirá separar los cristales de azúcar de la miel madre. Este azúcar, aún húmedo, es secado y enfriado en los secaderos y, posteriormente, almacenado a granel en grandes silos de azúcar con grados de temperatura y humedad controlados, para evitar su deterioro y aterronamiento. Desde aquí pasará a las instalaciones de envasado y carga adecuadas.
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AZÚCAR DE CAÑA
El azúcar de caña es el azúcar producido a partir de la caña de azúcar (Saccharum officinarum ). El proceso de fabricación de azúcar refinado de alta pureza de la caña de azúcar utiliza procesos físicoquímicos naturales para quitar las impurezas.
PROCESO DE PRODUCCIÓN El proceso de fabricación consta de los siguientes procesos:
ENTRADA O TRANSPORTE DE LA CAÑA DE AZÚCAR La caña que llega a la fábrica se transporta, se pesa y luego se descarga sobre las mesas de alimentación, con grúas.
MOLIENDA La caña es sometida a un proceso de preparación que consiste en romper las celdas de los tallos. Luego unas bandas transportadoras la conducen a los molinos, donde se realiza el proceso de extracción de la sacarosa. El bagazo sale del último molino hacia las chimeneas, para usarlo como combustible, o al depósito de bagazo, de donde se despacha para usarlo como materia prima en la elaboración de papel.
CLARIFICACIÓN
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El jugo proveniente de los molinos, pasa al tanque, donde se rebaja su grado de acidez. El jugo alcalinizado se bombea a los calentadores, donde se eleva su temperatura hasta un nivel cercano al punto de ebullición.Luego antes de pasar alos clarificadores va a un tanque de flacheo abierto a la atmosfera, en el cual pierde entre 3 y 4 grados centigrados por accion de evaporacion natural, tambien se cambia la velocidad del jugo de turbulento a laminar.En los clarificadores se sedimentan y decantan los sólidos. Los sólidos decantados pasan a los f iltros rotatorios, trabajan con vacio y están recubiertos con finas mallas metálicas que dejan pasar el jugo, pero retienen la cachaza, que puede ser usada como abono en las plantaciones.
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EVAPORACIÓN Luego el jugo clarificado pasa a los evaporadores, que funcionan al vacío para facilitar la ebullición a menor temperatura. En este paso se le extrae el 75% del contenido de agua al jugo, para obtener el producto o meladura.
CRISTALIZACIÓN El cocimiento de la sacarosa que contiene el jarabe se lleva a cabo en tachos al vacío. Estos cocimientos, producirán azúcar crudo (para producción para animales), azúcar blanco (para consumo directo) o azúcar para refinación. La cristalización del azúcar es un proceso demorado que industrialmente se aumenta introduciendo al tacho unos granos de polvillo de azúcar finamente molido.
SEPARACIÓN O CENTRIFUGACIÓN
Los cristales de azúcar se separan de la miel restante en las centrífugas. Estas son cilindros de malla muy fina que giran a gran velocidad. El líquido sale por la malla y los cristales quedan en el cilindro, luego se lava con agua. Las mieles vuelven a los tachos, o bien se utilizan como materia prima para la producción de alcohol etílico en la destilería. El azúcar de primera calidad retenido en las mallas de las centrífugas, se disuelve con agua caliente y se envía a la refinería, para continuar el proceso. Cabe resaltar que en este punto se obtiene lo que se llama azúcar rubio, debido al color de los cristales; a continuación se detalla el proceso mediante el cual el azúcar rubio se convierte en azúcar blanco o azúcar muy fina
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REFINADO Mediante la refinación, se eliminan los colorantes o inorgánicas que el licor pueda contener. El azúcar disuelto se trata con ácido y sacarato de calcio para formar un compuesto que arrastra las impurezas, las cuales se retiran fácilmente en el clarificador. El licor resultante se concentra, se cristaliza de nuevo en un tacho y se pasa a las centrífugas, para eliminar el jarabe. El azúcar que obtienen en la etapa anterior lo diluyen con agua hasta convertirlo en jarabe, lo filtran y lo pasan a los tachos de cocimiento de refinación, para evaporar el agua y obtener nuevamente una miel muy rica en azúcar. Luego centrifugan la miel dando como resultado azúcar húmedo.
SECADO El azúcar refinado se lava con condensado de vapor, se seca con aire caliente, se clasifica según el tamaño del cristal y se almacena en silos para su posterior empaque.
ENVASADO El azúcar crudo de exportación sale directamente de las centrífugas a los silos de almacenamiento. Allí se carga a granel en las tractomulas que lo llevarán al puerto de embarque o bien se empaca en sacos de 50 kg para ser utilizado en la fabricación de alimentos concentrados para animales. El azúcar refinado se empaca en presentación de 5, 500, 1000 y 2500 gramos; 50 y 100 kilogramos e incluso por toneladas.
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XV. EXTRACCIÓN DE COLORANTES
La importancia de los colorantes naturales en la industria textil desapareció con el uso ahora ya extendido de los colorantes sintéticos empleados en distintas fibras, pero durante los últimos 10 años, el uso de los colorantes naturales en el ámbito mundial se ha incrementado en forma casi explosiva, debido a la exigencia de su uso en las industrias alimenticias, farmacéuticas y cosméticas establecidas por las legislaciones de los diferentes países; recientemente al encontrarnos en la era ecológica, el uso de colorantes naturales en las industrias de cuero y textil ha iniciado ya su aplicación. El creciente uso de estos colorantes, ha dado como resultado el incremento de la demanda generando en algunos casos problemas de abastecimiento en el mercado mundial. Los colorantes naturales han
tenido mucho auge debido a su
biodegradablilidad y a su baja toxicidad, dichos colorantes se emplean tanto para el teñido de fibras naturales o sintéticas, especialmente en Latinoamérica en las artesanías de los pueblos indígenas y también en la industria de alimentos. Uno de los objetivos de este proyecto es estudiar los colorantes naturales empleados por los artesanos mexicanos para que éstos se puedan mejorar sus métodos de aplicación, su solidez y ser presentados como opción para solucionar problemas de salud de aquellas personas alérgicas a los materiales y colorantes sintéticos. Se emplearon 4 colorantes naturales como el ácido carmínico, añil, el camotillo del azafrán y el palo de Campeche, con 7 diferentes mordentes como: NaCl, CuSO4, K2SO4-Al2(SO4)3-12H2O alumbre, SnCl2, FeSO4, ácido tartárico con el fin de obtener la fijación adecuada para cada colorante. Las mediciones del proceso de tintura, a diferencia de los datos reportados en la literatura existente, se realizaron de manera continua (medición por minuto) empleando un espectrofotómetro con a una celda de cuarzo a flujo continuo. Los estudios del proceso de tintura que se realizaron fueron el cálculo de las isotermas de adsorción para colorantes naturales-directos y 2 1 0
cinética de reacción para los colorantes naturales-reactivos.
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SEGUN SUS PROPIEDADES QUÍMICAS
La mayoría de los colorantes empleados en histología actúan como ácidos o bases y tienden a formar uniones salinas con radicales ionizables presentes en los tejidos.
COLORANTES ÁCIDOS: como por ejemplo la eosina, colorante cargado en forma negativa, se une a componentes celulares cargados positivamente. Estos componentes cargados positivamente se denominan acidó filos, porque tienen afinidad por los colorantes ácidos. Por ejemplo, estos colorantes se unen a grupos aminos de las proteínas. Estas proteínas pueden pertenecer al citoesqueleto de la célula o hallarse en la matriz extracelular. Debido al elevado contenido de proteínas del citoplasma la eosina es un excelente colorante citoplasmático. La eosina se une también a las membranas plasmáticas, sin embargo, se desconoce la naturaleza química de esta unión. Las células que presentan un gran desarrollo de membranas (muchas mitocondrias, mucho retículo endoplasmático liso, etc.) son sumamente acidófilas, o sea, se tiñen intensamente con la eosina. COLORANTES BÁSICOS: como por ejemplo el azul de metileno, colorante cargado positivamente, se une a componentes celulares cargados negativamente. Estos componentes cargados negativamente se denominan basófilos, porque tienen afinidad por los colorantes básicos. Por ejemplo, estos colorantes se unen al núcleo y ciertas regiones del citoplasma. Como caso particular, la hematoxilina no tiene carga, para teñir un tejido se la une a un mordiente que junto a la hematoxilina forman una laca. La laca es básica y por lo tanto se une a cargas negativas de la célula o matriz extracelular.
colorantes neutros: son colorantes en los que la porción ácida y la básica colorean. Tiñen las partes básicas de una célula de un color y las partes ácidas de otro. Tiñen el núcleo de un color y el citoplasma de otro. Ej. el eosinato de azul de metileno. 2 1 0 2 e
colorantes indiferentes: tiñen aquellas estructuras o sustancias que los disuelven más fácilmente que el líquido en que están preparados. Un ejemplo es el colorante sudan, un colorante de lípidos.
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Ejemplo: 2.1 Obtención de colorantes naturales La obtención de los colorantes naturales se realizó a través de diversos medios, inicialmente se obtuvo el colorante amarillo a partir de las hojas secas del Cempoalxóchitl (Tegetes Erecta) o Flor de Muerto y el camotillo del azafrán, también se obtuvo el Palo de Campeche (Haematoxylon Campechianum) que da un color café y el Añil (Indigofera Suffruticosa) que da azul, y el Ácido Carmínico (rojo).
2.2 Purificación de colorantes naturales Se eligió el método de extracción empleando un equipo Soxhlet para la obtención de los colorantes a partir de las fuentes naturales empleando como disolvente alcohol etílico con el fin de evitar el uso de disolventes no polares y extender las aplicaciones posteriores del colorante obtenido no solo en área textil sino también en el área de alimentos.
2.3 Análisis elemental de colorantes naturales La necesidad de realizar dichos análisis se debió a la falta de información sobre la naturaleza de los colorantes, el análisis revelo información referente a estructuras químicas que sirvieron para determinar la orientación del estudio cinético que se realizo, velocidades de reacción para colorantes reactivos e isotermas de adsorción para colorantes directos. Los análisis que incluyeron fueron espectroscopia infrarroja IR, cromatografía de gases acoplado a un detector de masas CGDM, resonancia magnético nuclear RMN de C13y protón H1, determinación del punto de fusión y solubilidad a distintos disolventes polares y no polares.
2.3 Obtención de fibras naturales 2 1 0 2 e d o i l u j e d 5
Las fibras textiles fueron proporcionadas por: Qua lytel, S. A. Algodón 100% en tejido de punto y Lanera “La Moderna” S.A., el hilo de lana peinada. Ambos materiales
fueron suministrados en las condiciones de pureza necesarias para la investigación. 8 4 a n i g á
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XVI. Cuestionario
1- ¿En qué consiste la lixiviación? La lixiviación es un proceso por el cual se extrae uno o varios solutos de un sólido, mediante la utilización de un solvente líquido. Ambas fases entran en contacto íntimo y el soluto o los solutos se separan ante la presencia del solvente, lo que produce una separación de los componentes originales del sólido
2- ¿Hay alguna manera de realizar lixiviación de manera continua? Cuando se trabaja con sólidos es muy difícil operar de forma continua, sin embargo, el extractor de tipo Bollman lo permite. Los cubetos (cestas) con el fondo perforado se colocan en una banda con movimiento sinfín. Los sólidos secos, alimentados a los cestos que descienden, se rocían con disolvente parcialmente enriquecido. Al elevarse, los cestos, en la otra sección de la unidad, los sólidos se rocían con disolvente puro en contracorriente. Los sólidos agotados se descargan de los cestos, en la parte superior de la unidad, a un transportador de palas; y el disolvente enriquecido se impulsa desde el fondo de la unidad.
3- ¿Qué aspectos debemos tener en cuenta antes de comenzar el proceso de la lixiviación? Antes de comenzar este proceso debemos tener en cuenta el no generar impactos negativos al medio ambiente y al mismo tiempo lograr que este proceso sea eficiente
4- Al extraer de un yacimiento cierto material, ¿podríamos comenzar su ixiviación instantáneamente? 2 1 0 2 e
Lo más probable es que éste materia extraído antes de ser lixiviado pase por una trituradora para así poder obtener pedazos de roca mucho más pequeños de los que
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teníamos al principio, con el fin de que el proceso de separacion del mineral valioso
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sea más eficiente y rápido.
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