Eliminación de agentes contaminantes y recuperación de productos de interés comercial mediante tecnologías de membrana líquida

Abstract

[SPA] La descarga de metales pesados al medio ambiente es un serio problema, que afecta a un gran número de industrias, debido a su acumulación en los organismos vivos, lo que causa diferentes enfermedades y desórdenes, y a su efecto inhibitorio en la biodegradación de contaminantes orgánicos. Es igualmente problemática la generación de grandes volúmenes de efluentes que contienen estos contaminantes orgánicos, estando los nitrofenoles entre los que presentan mayores efectos tóxicos para el medio ambiente y para la salud humana. Por otra parte, los α-aminoácidos son compuestos de gran importancia comercial debido a sus múltiples aplicaciones en los campos alimentario, farmacéutico y químico. Se obtienen fundamentalmente mediante fermentación microbiana en disoluciones acuosas diluidas, resultando dificultosa su separación de los caldos de fermentación. La necesidad de altos rendimientos en los procesos de recuperación y/o eliminación de compuestos químicos hace necesaria la búsqueda de nuevas tecnologías de separación que permitan mejorar los rendimientos y abaratar los costes. Dentro de estas tecnologías, los procesos de membrana líquida constituyen un campo emergente debido a su capacidad para separar y concentrar, simultáneamente, un determinado compuesto. En esta Tesis Doctoral se describe el estudio de la influencia que las variables operacionales más importante que determinan el proceso de transporte tienen en la aplicación de las membranas líquidas a la eliminación de metales pesados (cobalto (II) y cobre (II)) y de contaminantes orgánicos (4-nitrofenol), y a la recuperación de productos de interés comercial (valina), utilizando diferentes tipos de membrana líquida (compacta, soportada y en emulsión), y diferentes mecanismos de transporte (contratransporte facilitado y transporte facilitado tipo I). Se ha demostrado que la tecnología de membrana líquida constituye una técnica efectiva para eliminar/recuperar tales especies químicas, logrando porcentajes de eliminación/recuperación superiores al 80%. Los procesos de membrana líquida compacta estudiados pueden describirse mediante un modelo cinético de dos reacciones consecutivas irreversibles de primer orden, las reacciones de extracción y de liberación, habiéndose determinado sus constantes cinéticas y los flujos máximos de transporte en las distintas condiciones experimentales utilizadas. Se ha introducido un nuevo método de preparación de membranas líquidas soportadas, asistido por ultrasonidos, que conduce a mejor eficiencia de transporte, flujo, permeabilidad y estabilidad que los métodos clásicos. Los resultados se han explicado mediante los efectos de cavitación y corrientes acústicas. En el estudio con membranas líquidas en emulsión, se han obtenido las condiciones óptimas de estabilidad de la emulsión y de eficiencia en la eliminación del contaminante, y se han determinado las permeabilidades aparentes iniciales en las distintas condiciones experimentales. [ENG] The discharge of heavy metals into the environment is a serious problem facing numerous industries because they tend to accumulate in living organisms, causing various diseases and disorders, and inhibits biodegradation of organic pollutants. In the same way, the disposal of large volumes of wastewater containing organic solutes, which may be toxic, is a common problem in many industries, being nitrophenols a group of environmental pollutants with higher toxic effects on the environment and human health. By other way, α-amino acids have high commercial importance due to their wide number of applications in food, pharmaceutical and chemical fields. They are mainly produced by microbial fermentation and as they are obtained at low concentrations in dilute aqueous solutions, their separation from the fermentation broths is rather difficult. Thus, the need of high efficiences on the chemical compound recovery and/or elimination processes makes necessary to look for new separation technologies, the liquid membrane processes constitutes a relatively new emerging field in continuous growing due to the possibility of compounds separation and concentration in only one step. In this Doctoral Thesis, the study of the influence of the most important operational variables governing the transport process in the application of liquid membranes to the removal of heavy metals (cobalt (II) and copper (II) and organic pollutants (4-nitrophenol), to the recovery commercial interesting products (valine), by using different kinds of liquid membranes (bulk, supported and emulsion liquid membranes), and different transports mechanisms (facilitated type I) is described. Liquid membrane technology have been probed as an effective technique to removal/recovery of the those chemical species, reaching removal/recovery percentages higher that 80%. The studied bulk liquid membrane processes can be described by a kinetic model involving two consecutive irreversible first order reactions, the extraction and the striping reactions, being determined the kinetic model involving two consecutive irreversible first order reactions, the extraction and the striping reactions, being determined the kinetic constants of these two reactions and the maximum transport fluxes for all the experimental conditions studied. A novel ultrasound assisted method for preparing supported liquid membranes has been introduced showing higher transport efficiency, flux, permeability and stability than classical preparation methods. Results has been explained by the effects of cavitation and acoustical streaming. Optimal conditions to obtained in the study using emulsion liquid membranes, being also determined the apparent initial permeability in the different experimental conditions.