Extracción en fase sólida

Este curso pertenece al departamento de química.

Introducción

La lixiviación (se aplica a muestras cuya fase inicial es la fase sólida pasando los analitos a fase líquida), la extracción y la microextracción.

Estas dos últimas difieren de la lixiviación en que el analito inicialmente se encuentra en fase líquida pero es retenido sobre una superficie sólida extractora para, posteriormente, eluirlo en un disolvente más adecuado y en menor cantidad. De este modo se logra una preconcentración del analito.

Métodos tradicionales de extracción sólido-líquido

Existen fundamentalmente dos grupos: el extractor Shoxlet y la sonicación (agitación mediante ultrasonidos).

El extractor Soxhlet

El extractor de tipo Soxhlet se aplica a analitos que no se pueden separar por volatilización (en fase gas) pero sí son extraíbles empleando un disolvente orgánico adecuado. La gran ventaja del Shoxlet es la eficacia en el proceso de remojo de la fase sólida.

El esquema del instrumento es sencillo:

Un matraz de base redonda que contendrá el disolvente orgánico volátil.
Un contenedor intermedio de vidrio en el cual se coloca la muestra dentro de un cartucho que está abierto en su parte superior siendo poroso al disolvente y a la posterior disolución del analito (se vende comercialmente).
Refrigerante.

El matraz es calentado con una manta calefactora hasta que el disolvente orgánico se evapora, el vapor de disolvente atraviesa el cartucho que contiene la muestra ascendiendo por el contenedor hasta el refrigerante. Cuando el vapor de disolvente llega al refrigerante este condensa y cae en forma líquida de nuevo en dirección al matraz pero, en su camino, este golpea con la muestra disolviéndola (para que esto ocurra la muestra debe estar perfectamente seca y fínamente dividida).

El analito disuelto en disolvente orgánico pasa por un sifón el cual, al llenarse y desbordar, descarga sobre el matraz redondo.

Cuando el proceso de disolución se da por finalizado se añade una última etapa: la evaporación. El disolvente se evapora por calentamiento concentrando la muestra.

Ventajas del extractor Soxhlet

El disolvente y la muestra están en contacto íntimo y repetido. De manera que se mejora muchísimo la extracción porque siempre se emplea un disolvente limpio.
El disolvente proviene de una condensación luego es líquido y está caliente. Favorece la solubilidad del analito.
No se requiere filtración posterior. El disolvente orgánico se evapora quedando sólo analito.
Gran capacidad de recuperación.
Instrumentación simple.

Inconvenientes del extractor Soxhlet

Es un proceso extremadamente lento e imposible de acelerar.
Se requiere gran cantidad de disolvente.
Inaplicable a analitos termolábiles, que se descompongan con el calor o reaccionen.
Necesidad de etapa final de evaporación.
El método no depende de la matriz

Extracción por agitación con ultrasonidos (sonicación)

Los ultrasonidos son sonidos cuya frecuencia es inaudible para el oído humano y de magnitud muy alta. Constituye una manera barata, simple y eficaz de producir una disolución en muestras sólidas.

Las ondas sonoras son ondas de presión que se transmiten a través de un medio material, en ausencia de este es imposible su transmisión. Precisamente por ello las ondas sonoras provocan la contracción y posterior expansión del medio en el cual se propagan.

Cuando este medio es un disolvente pueden formarse burbujas o cavidades en el líquido que terminen por explotar en un proceso que se conoce como cavitación. Estas burbujas explotan violentamente produciendo un incremento local de presión y temperatura muy notable que no es perceptible en el sistema como un conjunto debido al pequeño tamaño de las burbujas. Además, estos incrementos de energía locales, provocan la formación de radicales en el disolvente (p. ej. el Hidroxilo o el peróxido de hidrógeno).

Debido al aumento de temperatura el proceso de sonicación favorece la solubilidad donde se produce la explosión de la burbuja, además, el aumento de presión produce una mejor penetración del disolvente al interior del sólido y la formación de un medio reactivo que ataque a la muestra.

En el laboratorio observamos dos familias:

Un baño de agua donde se colocan las sustancias a extraer.
Una sonda de ultrasonidos que se introduce en el matraz directamente.

Extracción asistida por microondas

Las microondas son ondas electromagnéticas de alta energía. Su principal actuación consiste en su capacidad de producir cambios en la rotación molecular y en la movilidad iónica del medio sin alterar la muestra.

Las microondas producen dos interacciones básicas:

Disipación de energía por conductividad térmica: Al atravesar una onda electromagnética un fluido, los iones presentes en esta se ven afectados por su paso ejerciendo una fuerza que hace migrar los iones en función del campo eléctrico. Esta migración iónica lleva asociada una resistencia del fluido al movimiento de iones. De este modo esa resistencia produce un calentamiento generalizado de la muestra ya que los iones están en todas partes del fluido.
Disipación de energía por rotación de dipolos: En moléculas con dipolos eléctricos el campo eléctrico asociado a la radiación electromagnética produce un alineamiento de los mismos con el campo. De este modo cuando pasa la onda los dipolos se encuentran ordenados perfectamente en la dirección del campo pero cuando este cesa las moléculas se reorganizan anárquicamente produciéndose fricción con el disolvente y, por lo tanto, calor.

Ambos fenómenos ocurren en todos los lugares de la disolución por igual, de este modo es mucho más eficaz que el calentamiento con mantas que primero calienta el recipiente y luego es éste el que calienta la muestra.

Instrumentación

Un microondas consta de cuatro partes diferenciadas:

Generador de ondas.
Guía de ondas: Sirve para dirigir las microondas al lugar de empleo.
Aplicador.
Circulador: Impiden que las microondas vuelvan al generador y dañen el equipo.

Celdas: no absorban microondas, ser inertes, reutilizables, resistentes a altas temperaturas y presiones. La extracción se lleva a cabo en recipientes que son transparentes a la radiacción como los vasos de extracción.

Ventajas del uso de las microondas

Técnica rápida.
Bajo consumo de disolventes.
Control de todos los parámetros de extracción.
Agitación y extracción de modo simultáneo.
Se logran altas temperaturas y presiones.
No requieren agentes deshidratantes para tratar la muestra (diferencia con Shoxlet).
Procesado de varias muestras.

Inconvenientes del uso de las microondas

Los extractos necesitan filtrado posterior.
Coste elevado del equipo.

CARACTERISTICAS DE LAS TUBERIAS DE LOS CONDENSADORES Los condensadores evaporativos, por lo general y como característica estándar, han sido fabricados con tuberías de acero al carbón las cuales son galvanizadas por inmersión post fabricación como una medida de proteger el exterior del evaporador contra la corrosión y comercialmente es lo único que existe en el mercado, como materiales adicionales y sobre pedidos especiales se comercializan fabricados en cobre (para refrigerantes freones solamente) y en acero inoxidable los cuales se reconocen por la alta calidad en resistencia de los metales a la corrosión. Los condensadores comerciales de acero galvanizado tienen un limite de vida ya que la protección galvanizada no es eterna así tampoco los laminados exteriores ni los depósitos del agua que se corroen totalmente y requieren de ser reemplazados con el tiempo, así mismo es indispensable alimentación química durante toda la vida útil del equipo, esto para reducir solamente mas no para evitar, la incrustación que se genera por el deposito de sales minerales en la tubería, durante el efecto de evaporación, que a su vez esto reduce drásticamente la eficiencia del intercambio de calor, generando así altos costos de energía eléctrica por operar en alta presión ya que la presión de operación es determinante para el valor de consumo de energía eléctrica gastado en la compresión. La instalación de tuberías de vapor, se realiza de acuerdo con las siguientes prescripciones: Materiales.-Se utilizará tubería de acero u otro material adecuado, según normas UNE u otra norma internacionalmente reconocida, y cuyas características de presión y temperatura de servicio sean como mínimo las de diseño. Para el cálculo de las redes de tuberías se tomará como temperatura de diseño la máxima del fluido a transportar y como presión la máxima total en la instalación, que será:  Caso vapor: Igual a la presión de tarado de las válvulas de seguridad instaladas en la caldera, o en el equipo reductor de presión si existiese.  Caso agua sobrecalentada: Igual a la presión de tarado de las válvulas de seguridad de la caldera más la presión dinámica producida por la bomba de circulación.  Caso agua caliente: Igual a la presión estática más la presión dinámica producida por la bomba de circulación. En los lugares que pudieran existir vibraciones, esfuerzos mecánicos o sea necesarios para el mantenimiento del aparato, podrán utilizarse tuberías flexibles con protección metálica, previa certificación de sus características. Las válvulas y accesorios de la instalación serán de materiales adecuados a la temperatura y presión de diseño, características que deben ser garantizadas por el fabricante o proveedor. Las juntas utilizadas deberán ser de materiales resistentes a la acción del agua y vapor, así como resistir la temperatura de servicio sin modificación alguna. Diámetro de la tubería.-La tubería tendrá un diámetro tal que las velocidades máximas de circulación serán las siguientes:  Vapor saturado: 50 m/seg  Vapor recalentado y sobrecalentado: 60 m/seg  Agua sobrecalentada y caliente: 5 m/seg

Uniones.-Las uniones podrán realizarse por soldadura, embridadas o roscadas. Las soldaduras de uniones de tuberías con presiones de diseño mayores que 13 kg/cm² deberán ser realizadas por soldadores con certificado de calificación.