Cinética y Extracción de Colorantes Naturales

Cinética y extracción de colorantes naturales
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Cinética y Extracción de Colorantes Naturales
Andrés Rojas Lobato.
[1]
Felipe Maldonado E .
Omar A. Pérez
Universidad de las Américas-Puebla
Escuela de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Industrial y Textil
Ex-Hacienda Santa Catarina Martir
72820 Cholula, Puebla. MEXICO
[email protected].
Resumen
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 cinética de reacción para los colorantes naturales-reactivos.
1.1 Teoría
El estudio de las isotermas de adsorción y las velocidades de reacción para colorantes
naturales es importante porque provee información acerca de la saturación al equilibrio
llevada acabo por el colorante en la fibra, además de predecir el agotamiento de los baños
de tintura para una concentración dada. La información de la saturación del colorante en el
substrato es útil para determinar la cantidad de colorante necesaria para obtener una tintura
eficiente
1.1 Isoterma de Nernst
La ecuación de Nernst es similar a la ley de Henry para los gases, queda establecida de la
siguiente manera:
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[C ] f
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= K [C ]s
En donde [C]f y [C]s expresan las concentraciones del colorante en la fibra y en la solución
respectivamente y K es una constante, que viene a ser la constante de reparto del colorante
entre la solución y la fibra. La forma de esta isoterma es lineal; colocando en abscisas la
concentración de colorante en solución y en ordenadas el colorante sobre la fibra se obtiene
una línea recta.
Isotermas como estas, que son lineales y que aumentan su pendiente a medida que se
incremente la concentración del colorante en el baño se les conoce como isotermas de
Nernst. Son las isotermas más simples de interpretar e indican que la distribución del
colorante entre las fibras y el baño es una simple partición del colorante en dos disolventes
diferentes hasta que uno de ellos se encuentre saturado del mismo.
Algunos han defendido que estas isotermas de Nernst son meramente un caso especial de
la isoterma de Freundlich o la isoterma de Langmuir, pero en la isoterma de Nernst la
concentración disuelta del colorante en la solución está restringida (a través de solubilidad)
de alcanzar niveles bastantes altos para que la isoterma se aproxime a las isotermas de
Freundlich y de Langmuir hacia el eje x.
1.2 Isoterma de Freundlich
La ecuación, establecida por Freundlich experimentalmente en 1907, puede ser expresada:
[C ] f
= K [C ]s
x
En donde K es una constante y “x” es un exponente característico del sistema considerado
cuyos valores oscilan entre 0.5 y 0.8 según las fibras y el colorante empleado. Como x es
siempre menor que la unidad, la isoterma de adsorción es una parábola, sin tender a un
límite determinado de la concentración del colorante sobre la fibra. Por consiguiente no
siempre para elevadas concentraciones, porque generalmente la adsorción esta limitada
por la saturación del colorante de la fibra.
1.3 Isoterma de Langmuir
Así como la isoterma de Freundlich tiene una base empírica, Langmuir obtiene la suya por
fundamentos cinéticos sobre los procesos de tintura. El postulado básico sobre el que se
funda, es que el colorante es adsorbido por la fibra en lugares específicos, de tal modo que
cuando una molécula ocupa un lugar, éste queda saturado e incapaz de una adsorción
ulterior. Supongamos una fibra conteniendo [C]f moles de colorante por kg. de fibra, en
equilibrio con una solución tintórea de concentración [C]s mole de colorante por litro de
solución, de modo que cuando todos los lugares de la fibra estén ocupados por el colorante,
la concentración de estos será [C]SAT.
El modelo de Langmuir tiene las siguientes consideraciones:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Toda la superficie tiene la misma actividad.
Las especies adsorbidas quedan en puntos definidos.
La máxima adsorción corresponde a la capa única (monocapa).
Cada sitio solo acomoda una especia activa.
No hay interacciones entre moléculas.
Toda adsorción se produce bajo el mismo mecanismo.
La velocidad de adsorción es la misma que la de desorción.
En un sistema de gas o líquido con una superficie sólida, las moléculas del gas (o
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concentración) estarán golpeando continuamente la superficie y una fracción de ellas se
adherirá a ella. Sin embargo, debido a las energías cinéticas, rotacionales y vibracionales,
un número mayor de moléculas energizadas dejaran continuamente la superficie. Un
equilibrio se establecerá debido a la velocidad con que las moléculas golpean la superficie y
se retengan durante un tiempo y distancia apreciable, que estará exactamente balanceada
por la velocidad con que las moléculas dejan la superficie.
La velocidad de adsorción ra será igual a la velocidad de colisión rc de las moléculas contra
la superficie multiplicada por un factor F representado por la fracción de moléculas
colisionadas que se adhieren. A una temperatura fija, el número de colisiones será
proporcional a la presión p del gas (o su concentración) en donde la fracción F será
constante. De ahí, la velocidad de adsorción por unidad de superficie vacía será rcF. Esto
es igual a kp donde k es la velocidad que involucra la fracción F y la proporcionalidad entre
rc y p.
Debido a que la adsorción esta limitada por la cantidad de sitios en la lamina
monomolecular de la superficie, esta podrá dividirse en 2 partes: la fracción θ en donde se
encuentran las moléculas adsorbidas y 1-θ, la fracción de la superficie vacía. Puesto que
solo aquellas moléculas que golpean la superficie vacía pueden ser adsorbidas, la
velocidad de adsorción por unidad del total de la superficie será directamente proporcional a
1-θ, siendo así:
ra = kp(1 − θ )
La velocidad de desorción será también proporcional a la fracción de la superficie ocupada:
rd = k ′θ
La cantidad adsorbida en el equilibrio, es obtenida resolviendo θ con las ecuaciones de ra y
rc. El resultado llamado isoterma de Langmuir se representa así:
θ=
kp
Kp
v
=
=
k ′ + kp 1 + Kp v m
Donde K=k/k’ es la constante de adsorción al equilibrio, expresado en unidades de
(presión)-1. La fracción θ es proporcional al volumen de gas (o concentración) adsorbido, v,
desde que la adsorción es menor que la capa monomolecular. De ahí que se pueda
considerar como una relación entre la presión del gas (o concentración) y el volumen
adsorbido, donde vm es el volumen adsorbido cuando todos los sitios activos de la capa
molecular están ocupados.
Las isotermas de adsorción presentan 5 casos mostrados a continuación:
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Tipos de isotermas de adsorción
El tipo 1, el de Langmuir observa comportamiento asintótico que se presenta en la mayoría
de los casos de tintura.
La isoterma de Langmuir se diferencia de la Freundlich en que el valor de la concentración
del colorante en la fibra tiende hacia un limite de saturación, lo cual no sucedía en aquella.
Prácticamente se llega a resultados satisfactorios con ambas ecuaciones, si bien hemos de
aconsejar la ecuación de Langmuir para obtener resultados precisos, y la de Freundlich
cuando deseamos mayor rapidez y no sea necesaria tanta exactitud.
1.4 Velocidad de reacción
El fenómeno de tintura involucra difusividad interna y externa y velocidades de adsorción y
reacción como se muestra en la siguiente figura. Las moléculas de colorante deben pasar
del baño de tintura a la interfase formada por el baño y la fibra, etapa conocida como
difusividad externa, enseguida, el colorante debe atravesar la interfase hasta llegar a la
superficie de la fibra, a esta etapa se le denomina difusividad interna, una vez ahí
comienza el proceso de adsorción de las moléculas por la fibra, la rapidez con que se
adsorbe se conoce como velocidad de adsorción, una vez adsorbidas las moléculas de
colorante comienza la interacción del colorante con los sitios activos de la fibra mejor
conocida como la etapa de reacción dicha rapidez se interpreta como la velocidad de
reacción. Todos estos procesos consumen un tiempo determinado, y el proceso que más
tarde se le considera como el paso controlante del proceso de difusión o del proceso de
reacción.
Los químicos y coloristas textiles saben que existen tres formas o métodos de cómo los
colorantes pueden ser retenidos por las fibras:
1. Adsorción Física: Las mismas fuerzas con las cuales se atraen los colorantes a la fibra,
inicialmente son suficientemente fuertes para retener las moléculas y resistir los
tratamientos subsecuentes de lavado.
2. Adsorción Mecánica: Consiste en la formación de materiales y pigmentos insolubles
libres de la solubilidad química con que fueron difundidos en la fibra.
3.
Reacción en Fibra: Aquí las moléculas o iones de colorante no pierden todos sus
grupos funcionales solubles después de ser difundidos dentro de las fibras, pero en las
condiciones correctas reaccionan y se enganchan así mismo por enlaces químicos
covalentes a las moléculas largas de la fibra formando nuevas derivaciones de color en
las fibras. El número pequeño de grupos funcionales solubles es totalmente inadecuado
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y causa que las nuevas moléculas grandes se disuelvan en agua.
En el teñido de fibras de celulosa pueden ser considerados los siguientes pasos por orden
de aparición.
1. Difusión de las moléculas de colorante de la fase acuosa (solución) a la interfase
celulosa-solución.
2. Adsorción de las moléculas de colorante de la interfase a la superficie de la fibra.
3. Difusión de las moléculas de colorante a la microestructura de la celulosa.
4. Reacción entre las moléculas de colorante y los grupos hidroxilo de la celulosa en medio
alcalino.
5. Reacción entre las moléculas del colorante y el agua en medio alcalino.
6. Adsorción de los colorantes hidrolizados de la solución
7. Hidrólisis de las moléculas de colorante en la superficie de la celulosa.
La adsorción del colorante de la fase acuosa depende de:
1. El estado de las moléculas de colorante en la solución,
2. La naturaleza de la interfase entre la celulosa y el baño de tintura y
3. El potencial de resistencia a transferir el colorante de la fase acuosa a la fibra.
Los modelos más comunes usados en ingeniería textil como Vickerstaff, Cegarra-Puente o
McGregor se describen a continuación.
1.5 Ecuación de Vickerstaff
Según este modelo, el proceso de tintura puede ser divido en 3 pasos diferentes:
1. El transporte del colorante del baño de tintura a la superficie de la fibra.
2. Adsorción del colorante en la fibra.
3. Difusión y adsorción del colorante dentro de la fibra.
En principio, cualquiera de estos 3 procesos puede controlar o influir en la velocidad de
teñido. Existen muchos reportes experimentales que indican que el paso 3 determina el
proceso de tintura, pero muchos de ellos usualmente se refieren al teñido de materiales
como películas de polímero, fibras sueltas bajo condiciones de agitación eficiente. Una
agitación eficiente en los baños de tintura le resta importancia al paso 1, desde que el
colorante es llevado a la superficie de la fibra a una velocidad que es entonces más
adecuada para mantener la velocidad de tintura. También existen reportes de casos donde
el proceso tintura esta influenciado por obstáculos en la superficie de las fibras –donde
incluimos los efectos descritos en el paso 2– donde estos obstáculos pueden ser lo
suficientemente grandes como para influir considerablemente en la velocidad de tintura de
lana, o en la difusión del colorante a través de membranas de celulosa.
En principio se deben hacer las siguientes suposiciones básicas que en ciertos casos son
inaplicables:
1. El proceso de adsorción en la fibra ocurre muy rápido en comparación con el proceso de
difusión, y existen un equilibrio instantáneo entre las concentraciones de los colorantes
libres y adsorbidos en la fibra.
2. El proceso de adsorción y desorción en la fibra ocurre muy rápidamente.
3.
No existen obstáculos que impidan el paso del colorante a través de la interfase
agua-fibra, como podría suponerse de las interacciones eléctricas entre los iones de
colorante y la fibra o de la morfología de la fibra.
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La ecuación de Vickerstaff esta descrita de la siguiente forma:
Mt
= 1 − exp(−kt )
M∞
Donde Mt y M∞ son las concentraciones del colorante en la fibra en el tiempo t y en el
equilibrio respectivamente, y k es la constante de velocidad aparente del sistema.
1.6 Ecuación de Cegarra–Puente
Esta ecuación esta basada en una propiedad fundamental de los equilibrios tintóreos, que
establece la reversibilidad de los mismos. Esto es, en los procesos tintóreos existe una
velocidad directa de colorante del baño hacia la fibra y una velocidad de la fibra hacia el
baño, que en el equilibrio son iguales. Por tanto, en principio podremos escribir que la
velocidad de tintura será igual a la velocidad directa Vd. menos la inversa Vi, expresada de
la siguiente forma:
∂Ct
= Vd − Vi
∂t
1.7 Ecuación de McGregor
McGregor plantea el problema bajo el punto de vista de la termodinámica de los procesos
irreversibles, aplicado a la tintura. Para ello, considera un sistema discontinuo en el que la
concentración de colorante sobre la fibra es uniforme. En tal sistema la afinidad instantánea
Δμ es la fuerza directora del proceso, pudiéndose plantear la siguiente ecuación de
velocidad.
Velocidad instantánea de tintura = Afinidad Instantánea / Resistencia Instantánea
O sea, que la velocidad instantánea de tintura es inversamente proporcional a la resistencia
que opone el medio y directamente proporcional a la afinidad.
Una lista de los modelos cinéticos más usados para la tintura de fibras textiles incluyendo la
ecuación del posible orden de reacción en su forma no integrada, el resto de las ecuaciones
integradas se adjuntan y se muestran a continuación:
Modelo
Orden de
Reacción
Ecuación
∂C A
n
= −kC Ao
∂t
Exponencial
Mt
= 1 − exp(−kt )
M∞
Parabólica
1
Mt
= kt 2
M∞
Hiperbólica
1
1
−
= kt
(M ∞ − M t ) M ∞
Vickerstaff
Mt
= 1 − exp(−kt )
M∞
McGregor
(M ∞ − M t ) = exp(−k ⋅ t )
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EttersUbanik
Mt
= 1 − exp(−kt a )
M∞
Rais
Mt
= tanh(kt )
M∞
CegarraPuente
Mt
1
= [1 − exp(−kt )] 2
M∞
CegarraPuente
Modificada
[
Mt
= 1 − exp(−kt ) a
M∞
]
1
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2
Esta lista contiene los modelos empleados para el desarrollo de esta investigación.
2. Metodología de investigación
El desarrollo de este proyecto se aplicó la presente metodología.
2.1 Obtención de colorantes naturales
La obtención de los colorantes naturales se realizo 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 C13 y
protón H1, determinación del punto de fusión y solubilidad a distintos disolventes polares y
no polares.
2.3 Obtención de fibras naturales
Las fibras textiles fueron proporcionadas por: Qualytel, 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.
2. 4 Pruebas de tintura
Se realizaron pruebas de compatibilidad empleando los 4 colorantes obtenidos sobre las
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fibras de algodón y lana. Las pruebas además incluyeron el uso de distintos mordentes
como NaCl, CuSO4, alumbre (K2SO4-Al2(SO4)3-12H2O), SnCl2, FeSO4, Ácido Tartárico,
con el objetivo de obtener una fijación adecuada del colorante y así entonces realizar el
estudio cinético ya que de no haber fijación del colorante en la fibra no tendría ningún objeto
el estudio.
2.5 Plan experimental de tinturas
Una vez obtenidas las condiciones de operación como tipo de mordente y fibra para cada
colorante natural, se definieron entonces de acuerdo con la literatura existente, las
experimentaciones a tres diferentes temperaturas 40, 50 y 60° C con 3 replicas por cada
temperatura con el fin de asegurar la reproducibilidad del experimento.
Se eligieron estas temperaturas porque a una temperatura más alta a 60° C los colorantes
se descomponen por presencia de oxigeno de la atmósfera por utilizarse un sistema abierto
durantes las experimentaciones y a temperaturas menores de 40° C no se presenta el
fenómeno de tintura en la fibra.
Las concentraciones iniciales para cada colorante se muestran a continuación:
Colorante
Ácido
Palo de
Carmínico Campeche
Concentración 0.25 gr./l
0.025
gr./l
20% spf
5% spf
Mordente
Fibra
Lana
Algodón
Añil
Azafrán
0.25
0.03
gr./l
gr./l
20% 20% spf
spf
Lana Algodón
Relación de colorantes naturales con mordente y tipo de fibra
3. Experimentación
Se realizaron las experimentaciones por cada colorante un equipo de tintura marca Mathis
Labomat y otro equipo acondicionado conectado a un espectrofotómetro marca Datacolor,
por medio de una celda de cuarzo a flujo continuo, encargado de censar la concentración
del baño de tintura cada minuto y de almacenar dicha información.
El segundo sistema comprende de 2 bombas, un indicador de temperatura, un condensador
tipo rosario, un agitador eléctrico de velocidad regulable y el equipo UV encargado de
realizar las mediciones a lo largo de las experimentaciones. La bomba B1 esta encargada
de recircular el baño de tintura haciendo pasar dicho flujo a través de una celda de cuarzo
de medición continua y regresarlo al origen. La función de la bomba B2 es suministrar el
agua fría del condensador y el agitador eléctrico fue acondicionado para que atravesando el
condensador llegara al baño de tintura.
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En el equipo de tintura Mathis Labomat se realizó la adquisición de datos experimentales
para la isoterma de adsorción debido a su controlador de temperatura, fácil manejo y la
opción de ejecutar 8 experimentaciones al mismo tiempo. Las concentraciones de los baños
de tintura se midieron en un espectrómetro Varian modelo Cary100.
3.1 Obtención de colorantes naturales
Debido a que se presentaron problemas de extracción, purificación y tiempo muy largos de
procesamiento que se presentaron durante el desarrollo del proyecto, se opto por el uso de
los colorantes naturales adquiridos sin aplicarles proceso alguno, a excepción del amarillo
procedente del camotillo del azafrán el cual fue extraído de la fuente natural, posteriormente
purificado e identificado porque se desconocía muchas de sus propiedades físicas y
químicas.
3.2 Extracción
Se le denomino extracción al procedimiento de obtención del colorante a partir de las
materias primas. En dicha operación se empleo un equipo tipo Soxhlet que solo fue
utilizado para la obtención del colorante amarillo ya que para los otros colorantes se les
consiguió en forma sólida “libre” de impurezas y listo para usarse. El empleo de este
método garantiza que durante la extracción no existe la posibilidad de degradar las
moléculas de colorante por efecto de temperatura debido a que se emplean bajas
temperaturas durante la operación, además de permitir el uso de distintos disolventes
según convenga.
Existe además otro tipo de extracción, la supercrítica que consiste en operar la extracción
en las vecindades del punto crítico del disolvente a utilizar, y con pequeñas variaciones de
presión o temperatura se pasa de una fase liquida a gaseosa instantáneamente, el
inconveniente es el uso de temperaturas y presiones muy altas para disolventes como agua
o etanol, desafortunadamente no se cuenta con el equipo.
El equipo Soxhlet tiene como función recircular los vapores condensados con ayuda de un
sifón a la fuente de disolvente que se encuentra en evaporación continua, arrastrando
consigo las sustancias de colorante de la materia prima contenida en un cartucho de
celulosa desechable. La capacidad aproximada de este equipo es de 500ml de volumen
primario con una recirculación de 100ml cada 5 minutos aproximadamente en estado
estable. La velocidad del reflujo depende directamente de la eficiencia y el tamaño del
condensador. El equipo se muestra a continuación.
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Es importante señalar que al tratarse de un producto natural es necesario no emplear
disolvente no-polares tales como hexano o benceno ya que afectarían al producto.
Después de la extracción se procede a realizar la etapa de purificación, que consiste en
lavar el extracto obtenido con una solución de acetona, agua y éter de petróleo en partes
iguales para remover los componentes grasos en el extracto y dejar solo los componentes
solubles en agua (polares). Esta extracción liquido-liquido se realiza 3 veces para asegurar
la limpieza de la solución final.
Enseguida, se elimina el disolvente con ayuda de un rotavapor al vació, el licor resultante se
seca en una estufa a 100° C durante 24 horas para remover cualquier traza de disolvente.
3.3 Purificación
Tras este ultimo procedimiento viene la etapa de identificación del cromóforo, que consiste
primero en tomar una pequeña cantidad (10mg) y determinar su solubilidad en distintos
disolventes como hexano, acetato de etilo, cloruro de metileno o bien con mezclas de los
mismos (sistemas) y determinar cual es el que mejor disuelve la mezcla.
Cada disolvente o sistema de disolvente posee características especiales para disolver o no
la muestra en cuestión. Se empaca una columna de cromatografía con gel de sílice
empleando la mezcla o el disolvente adecuado. Se coloca la muestra previamente diluida
en la parte superior de la columna y se dosifica pequeñas cantidades del disolvente de tal
forma que el empaque de sílice sirve como filtro y separe los componentes presentes en la
muestra y se almacenan por numero de cortes.
El siguiente paso es verificar la naturaleza de cada corte a través del uso de placas de sílice
en donde se corre la muestra en una celda con disolvente y se comparan los cortes, un
mismo desplazamiento significa que los cortes son iguales, pero si difieren en el
desplazamiento, entonces se trata de diferentes compuestos.
La forma de ver dichos desplazamientos se realiza en una cámara provista de una lámpara
de UV visible de alta y baja longitud de onda, ahí se coloca la muestra y se observan las
distancias recorridas en las placas; de no detectarse las muestras a simple vista o con el
uso de la cámara de UV, puede emplearse yodo o bromo para entintar dichos componentes
para su correcta determinación.
3.4 Análisis elemental
Una vez identificados los cortes perfectamente, se procede a la remoción del disolvente en
las muestras con ayuda de un rotavapor con el fin de recuperar el disolvente empleando. La
etapa de análisis elemental consiste en determinar primeramente algunas propiedades
físicas del compuesto, como el punto de ebullición y de fusión que serán de utilidad para
determinar las condiciones de operación de los cromatógrafos a emplear. Se realiza
también el análisis de resonancia magnética nuclear RMN con el propósito de determinar el
número de carbones e hidrógenos (protones) presentes en el compuesto, y se respalda con
un infrarrojo para la determinación de grupos funcionales del mismo.
Se realizó la adquisición, purificación (si el colorante lo requería) y la determinación de
estructuras moleculares para establecer si se trataba de colorantes reactivos o directos. Se
lograron obtener los siguientes: rojo (ácido carmínico), amarillo (camotillo del azafrán), azul
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(añil) y café (palo de Campeche).
Una vez identificadas las estructuras moleculares de los colorantes se procedió al proceso
de tintura empleando algodón y lana empleando y distintos mordientes como CuSO4, NaCl,
SnCl2, alumbre, ácido tartárico, etc. Con lo que se determino fibra y mordiente para cada
colorante como se muestra a continuación:
Colorante
Rojo
Amarillo
Fibra
Lana
Algodón
Tipo
Reactivo
Reactivo
Azul
Café
Lana
Algodón
Directo
Reactivo
Mordiente
Alumbre
CuSO4
Alumbre
SnCl2
Las estructuras moleculares se muestran a continuación:
Colorante Estructura
O
Ácido
Carmínico
OH
O
OH
OH
OH
OH
C
HO
O
HO
OH
O
Azafrán
Me
Me
OH
O
O
OH
Me
Añil
Me
H
O
N
N
O
H
Palo de
Campeche
OH
O
O
O
O
Cr
Cr
Cr
O
O
HO
O
O
O
Cr
O
Los agotamientos de los colorantes naturales se realizaron bajo las siguientes condiciones
de operación empleando 3 temperaturas, 40, 50, 60, debido a que a temperaturas más
bajas el proceso de tintura no recibe la suficiente energía para que se produzca, empero al
utilizar temperaturas más altas de 60, los colorantes naturales se descomponen generando
errores en el instrumento de medición ya que al cambiar su estructura química también
modifican la cantidad de energía que absorben desviando la longitud de onda de operación
y errando las mediciones cronometradas del instrumento.
Se realizaron 3 experimentaciones para cada temperatura con 3 repeticiones con el fin de
asegurar la reproducibilidad del proceso de tintura reportando solo aquella con la que se
obtuvo un mejor agotamiento y expresando la concentración al equilibrio en gr./lt.
Antes de iniciar las experimentaciones se realizaron varias pruebas empleando algodón,
lana con los distintos mordentes para cada uno de los colorantes naturales y se dispuso
emplear algodón con azafrán y palo de Campeche y lana con añil y ácido carmínico ya que
fueron las tinturas más compatibles y que dieron resultado con sus respectivos mordentes.
Coloran
te
[gr./l]
Fibra
Azafrán
0.0300
Algo
Mord.
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Con
centra
ción
20%
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dón
Palo de 0.0250 Algo
Campe
dón
che
Carmínico 0.2500 Lana
Añil
0.2500 Lana
CuSO4
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spf
SnCl2
5%
spf
Alum
bre
NaCl
20%
spf
20%
spf
Las curvas de calibración para cada colorante natural se realizaron con una serie de 5
disoluciones de colorante con su respectiva cantidad de mordente en un volumen de 100
ml. Las lecturas de las distintas concentraciones se obtuvieron empleando un
espectrómetro UV marca Varian modelo Cary 100.
5. Resultados
Los datos obtenidos durante las experimentaciones se muestran a continuación,
presentando el orden de reacción calculado, así como las constantes de velocidad de
reacción aparente empleando los modelos empíricos textiles mencionados anteriormente.
Se presentan de acuerdo a la temperatura de operación adjuntando el valor de la
desviación estándar correspondiente a cada temperatura y operación realizada. Se incluyen
además tres replicas del mismo procedimiento de tintura con el fin de asegurar la
reproducibilidad de las experimentaciones.
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Cinética y extracción de colorantes naturales
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5.1 Velocidades de reacción según los distintos modelos
Ácido Carmínico
40° C
%Agota
95.67
C equilibrio
0.23918
Orden 1.0
0.0015
Orden 2.0
0.0061
Exponencial
0.1060
Parabólica
0.1125
Etters-Ubanik 0.6342
Rais
0.0616
Cegarra-Puente 0.0887
Vickerstaff
0.1060
50° C
95.74
0.23934
0.0012
0.0048
0.0925
0.1005
0.6415
0.0532
0.0786
0.0925
60° C
95.76
0.23939
0.0020
0.0084
0.1668
0.1398
0.9058
0.0956
0.1424
0.1668
s 40
0.00143
0.00000
0.0060
0.0249
0.2589
0.0916
0.2811
0.1561
0.2056
0.2589
s 50
0.00312
0.00001
0.0052
0.0216
0.2310
0.0846
0.2490
0.1391
0.1837
0.2310
s 60
0.00158
0.00000
0.0071
0.0297
0.3134
0.1064
0.2800
0.1890
0.2488
0.3134
50° C
98.02
0.02941
0.1939
0.0619
0.1254
0.1330
0.6979
0.0740
0.1029
0.1254
60° C
98.03
0.02941
0.1581
0.0494
0.0990
0.1184
0.6114
0.0584
0.0813
0.0990
s 40
0.01741
0.00001
0.7027
0.3048
0.3624
0.1236
0.3034
0.2227
0.2795
0.3624
s 50
0.01283
0.0000
0.5234
0.2516
0.2528
0.1005
0.2388
0.1569
0.1917
0.2528
s 60
0.02202
0.00002
0.4669
0.2234
0.2228
0.0929
0.2227
0.1382
0.1693
0.2228
50° C
94.49
0.02362
0.1467
0.1088
0.0892
0.1168
0.4720
0.0541
0.0702
0.0892
60° C
97.28
0.02432
0.2101
0.1383
0.1128
0.1398
0.5813
0.0688
0.0881
0.1128
s 40
0.00345
0.0000
0.4381
0.3904
0.2294
0.0912
0.2462
0.1412
0.1764
0.2294
s 50
0.00361
0.0000
0.4521
0.4009
0.2317
0.0924
0.2637
0.1437
0.1760
0.2317
s 60
0.019
0.0000
0.5462
0.4671
0.2369
0.1017
0.2397
0.1503
0.1733
0.2369
Azafrán
40° C
%Agota
97.51
C equilibrio
0.02925
Orden 1.0
0.3274
Orden 2.0
0.0896
Exponencial
0.2405
Parabólica
0.1793
Etters-Ubanik 1.0168
Rais
0.1398
Cegarra-Puente 0.2014
Vickerstaff
0.2405
Palo de Campeche
%Agota
C equilibrio
Orden 1.0
Orden 2.0
Exponencial
Parabólica
Etters-Ubanik
Rais
Cegarra-Puente
Vickerstaff
40° C
93.57
0.02339
0.1384
0.1047
0.0916
0.1141
0.5582
0.0544
0.0743
0.0916
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Cinética y extracción de colorantes naturales
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5.2 Isotermas de adsorción
Para el cálculo de las isotermas de adsorción para el colorante natural añil se tomaron las
siguientes consideraciones.
Cf =
s
C ads
k i Cb
1 + k i Cb
1+ k C
1
= s i b
C f C ads K i C b
1
1
1
1
= s
⋅
+ s
C f C ads k i Cb C ads
Cf es la concentración al equilibrio en la fibra, Cb la concentración final del baño después de
la tintura, Cadss es la cantidad de adsorbato y ki la constante de adsorción donde la
pendiente de la recta es:
m=
1
s
ads
C ki
Y la ordenada al origen:
b=
1
s
C ads
Sustituyendo se obtiene la constante de adsorción:
ki =
b
m
En cada una de las experimentaciones, se obtuvieron la concentración al equilibrio del
colorante en la fibra y en el baño, dichos valores fueron obtenidos de la curva de calibración
correspondiente.
El procedimiento para realizar el cálculo de la isoterma de adsorción para el colorante
natural añil comprendieron las siguientes tinturas.
Temperatura
60
50
40
Numero de Tinturas
10
9
8
Las isotermas de adsorción para el colorante natural añil se presentan a continuación:
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Cinética y extracción de colorantes naturales
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0.025
0.02
Iso 60
0.015
Iso 50
0.01
Iso 40
0.005
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
Isotermas para añil
Isoterma a 40° C
Ci(wc/200ml)
0.00102
0.00202
0.00302
0.00402
0.00502
0.00602
0.00702
0.00802
Abs
0.0520
0.0950
0.1440
0.1830
0.2290
0.2740
0.3280
0.3900
Ci (g/l)
0.0051
0.0101
0.0151
0.0201
0.0251
0.0301
0.0351
0.0401
Cb (g/l)
0.0034275
0.0069789
0.0110258
0.0142468
0.0180459
0.0217625
0.0262223
0.0313429
Cf(g/l)
0.0016725
0.0031211
0.0040742
0.0058532
0.0070541
0.0083375
0.0088777
0.0087571
Cf/Adsorbato
0.6690056
1.2484572
1.6296928
2.3412884
2.8216320
3.3350116
3.5510671
3.5028345
1/Cb
291.76
143.29
90.70
70.19
55.41
45.95
38.14
31.91
1/Cf
1.49
0.80
0.61
0.43
0.35
0.30
0.28
0.29
Linearización 40°C
1/Cf
2
1
y = 0.0048x + 0.1114
R2 = 0.994
0
0
50
100
150
200
250
300
350
1/Cb
Isoterma a 50° C
Ci(wc/200ml)
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
Abs
0.0450
0.0879
0.1182
0.1484
0.1797
0.209
0.2604
0.3125
0.3732
Ci (g/l)
0.0050
0.0100
0.0150
0.0200
0.0250
0.0300
0.0350
0.0400
0.0450
Cb (g/l)
0.0028494
0.0063925
0.0088949
0.0113892
0.0139742
0.0163941
0.0206392
0.0249422
0.0299554
file://D:\conferencias\americas.htm
Cf(g/l)
Cf/Adsorbato 1/Cb 1/Cf
0.0021506 0.8602577 350.96 1.16
0.0036075 1.4430129 156.43 0.69
0.0061051 2.4420218 112.42 0.41
0.0086108 3.4443343 87.80 0.29
0.0110258 4.4103072 71.56 0.23
0.0136059 5.4423522 61.00 0.18
0.0143608 5.7443013 48.45 0.17
0.0150578 6.0231252 40.09 0.17
0.0150446 6.0178394 33.38 0.17
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Cinética y extracción de colorantes naturales
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Linearización 50°C
1/Cf
1.5
1
y = 0.0033x + 0.0277
0.5
R2 = 0.9698
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1/Cb
Isoterma a 60° C
Ci(wc/200ml)
0.00073
0.00173
0.00273
0.00373
0.00473
0.00573
0.00673
0.00773
0.00914
0.0100
Abs
0.0319
0.0703
0.0986
0.1256
0.1590
0.1860
0.2170
0.2459
0.3127
0.3640
Ci (g/l)
0.0037
0.0087
0.0137
0.0187
0.0237
0.0287
0.0337
0.0387
0.0457
0.0500
Cb (g/l)
0.0017674
0.0049389
0.0072762
0.0095061
0.0122646
0.0144945
0.0170548
0.0194417
0.0249587
0.0291956
Cf(g/l)
Cf/Adsorbato 1/Cb 1/Cf
0.0018826 0.7530294 565.79 1.33
0.0037111 1.4844466 202.47 0.67
0.0063738 2.5495276 137.43 0.39
0.0091439 3.6575553 105.20 0.27
0.0113854 4.5541526 81.54 0.22
0.0141555 5.6621804 68.99 0.18
0.0165952 6.6380641 58.63 0.15
0.0192083 7.6833234 51.44 0.13
0.0207413 8.2965180 40.07 0.12
0.0208044 8.3217707 34.25 0.12
Linearización 60°C
1/Cf
1.5
1
y = 0.0024x + 0.0414
R2 = 0.9769
0.5
0
0
100
200
300
400
500
600
1/Cb
Temperatura
40° C
50° C
60° C
Constante de
adsorción k.
23.2083
17.2500
8.3939
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Cinética y extracción de colorantes naturales
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6. Análisis y discusión de resultados
La extracción del colorante amarillo presentó un sin numero de problemas, inicialmente se
pretendió emplear la flor de cempoalxóchitl (Tegetes erecta) o flor de muerto, planta cuya
flor contiene el colorante. En la industria alimenticia actualmente se usan sus propiedades
pero en el teñido de fibras textiles es muy inestable.
Se realiza la extracción del colorante con ayuda de un equipo Soxhlet y etanol como
disolvente. Se obtiene un extracto que es secado y se observa que es insoluble en agua
motivo por el cual se descarta el cempoalxóchitl como fuente primaria. El colorante por sus
características oleosas es ideal para un proceso de estampación no de teñido. Así también
se descarta el Zacatlaxcalli por su altísimo contenido de impurezas que resaltan a simple
vista, se comenzó a trabajar con el camotillo del azafrán. Al igual que el cempoalxóchitl se
empleo el equipo Soxhlet con etanol como disolvente para la extracción del colorante de la
fuente vegetal.
Después del procedimiento anterior, se obtuvo un precipitado viscoso a temperatura
ambiente que incluía compuestos solubles e insolubles en agua, por lo que se procedió a
hacer una extracción liquido-liquido empleando el sistema etanol-agua-hexano-éter con el
que se separó los compuestos no polares de los polares, dicha extracción se realizo 3
veces para asegurar la limpieza del colorante.
No se obtuvo una eficiencia elevada, ya que el consumo de tiempo y energía limitaron la
extracción, se mantuvo el Soxhlet trabajando más de 150 horas, cuidando el agua de
enfriamiento y procurando que los vapores del disolvente no se perdieran, y se
condensaran adecuadamente.
Los rendimientos aproximados fueron del 4.80% peso de colorante por peso de materia
prima (camotillo de azafrán), de este 4.80% de colorante solo el 68% es útil, después de los
lavados empleados para remover moléculas no polares con fin este sea soluble en agua.
Al extracto se le removieron los disolventes que contenía obteniendo el mismo precipitado
viscoso pero ahora un poco más soluble en disolventes polares. Se realizo la cromatografía
de columna (empacada con gel de sílice) empleando hexano como disolvente principal y se
aisló un solo componente con el que se realizó el análisis elemental del compuesto
obtenido, dicho análisis se hizo por espectroscopia infrarroja, resonancia magnético nuclear
que incluye el análisis de carbón y protón y por último una cromatografía de gases con
detector de masas para determinar la estructura química del compuesto, dando un peso
molecular de aproximadamente 350 uma.
La purificación del Añil se suspendió porque se encontró que los compuestos presentes en
la mezcla de añil, (amarillo, violeta y verde) contribuyen al color final que genera el añil. Se
decide entonces emplearlo como se adquirió a pesar de las impurezas que este contenga.
No se realizan purificaciones posteriores en el ácido carmínico debido a que se adquirió
químicamente puro. Para el palo de Campeche fue imposible determinar el sistema de
disolventes ya que no se pudo disolver en ninguno que fuera no-polar.
Se puede observar que los agotamientos obtenidos para el ácido carmínico fueron
superiores al 98% del camotillo del azafrán mayores al 90%, empleando palo de Campeche
se obtuvo un agotamiento superior al 96% y con añil se obtuvo un agotamiento mayor del
99%.
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Cinética y extracción de colorantes naturales
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Se trabajo a bajas concentraciones iniciales de colorante debido a que el espectrómetro
Datacolor con UV integrado con el que se contaba, se encuentra restringido al no poder leer
concentraciones altas lo justificó el uso de concentraciones bajas iniciales del orden de 0.03
gr./lt a 0.25gr./lt empleando 0.5 gramos de fibra por cada tintura. Se podía haber trabajado
empleando concentraciones más altas pero las mediciones tendrían que haber sido de
manera indirecta, tomando una muestra y diluyéndola para que el equipo pudiera realizar la
medición de manera precisa, pero los objetivos de este estudio es de realizar las
mediciones de forma continua y no discreta como los que se reportan en la literatura.
El análisis elemental demostró la acidez de los colorantes como el ácido carmínico, el
camotillo del azafrán y el palo de Campeche señalando ácidos carboxílicos en sus
moléculas, debido a la reactividad de dichos colorantes se calcularon las respectivas
constantes de velocidad de reacción, el análisis indico la presencia de grupos azo en la
molécula del Índigo o añil y de acuerdo con la literatura estos colorantes funcionan como
directos, por lo que se midieron las isotermas de adsorción.
Las temperaturas de operación 40°, 50° y 60° C fueron limitadas por la oxidación o
reducción del colorante, ya que al trabajar en condiciones abiertas a la atmósfera, el
oxígeno presente afectaba directamente el proceso de tintura descomponiendo
rápidamente el colorante, la manera de percatarnos fue en el momento en que el
espectrómetro registraba una curva barriendo el espectro visible diferente a las iniciales, lo
que orillo que se trabajara a temperaturas no mayores de 60° C ya que a partir de este
punto se hidroliza el colorante generando otra longitud de onda máxima (otro compuesto)
errando así los resultados finales.
En las gráficas de agotamiento se observa también que ese alcanza una fijación del
colorante en la fibra; cada colorante natural tiene un mordente especial que además de
ayudar al transporte de los colorantes del baño de tintura a la fibra sirve a la vez de fijador.
Bajo la suposición de que solo un sitio activo en la fibra resguarda una sola molécula de
colorante, se inicio el cálculo de la velocidad de reacción empleando la ecuación de
Arrhenius como punto de partida y se realizo la comparación de velocidades obtenidas
contra los modelos cinéticos textiles de velocidades de reacción existentes en la literatura.
La constante de velocidad de reacción aparente del ácido carmínico validada
estadísticamente es de orden 1.0 (ver tablas de resultados); muestra que el proceso que
gobierna el proceso de tintura no es la velocidad de reacción si no la velocidad de adsorción
con que el colorante se adsorbe en la fibra, esto es de esperarse debido al gran tamaño de
la molécula, esta genera problemas de difusión, y al estudiar la molécula en el espacio con
ayuda del simulador de moléculas ChemDraw 3D, se obtiene una estructura no plana y
doblada, lo que dificulta aun más el proceso de adsorción. Las ecuaciones cinéticas
empíricas textiles como el modelo Exponencial y de Vickerstaff dan una constante de
velocidad aparente muy similar, contrastando con la calcula por la velocidad de orden 1.0
como se observa en la tabla.
Para el azafrán, el estudio de la molécula indica que es plana pero con el inconveniente de
que es muy larga, y cuenta con 2 ácidos carboxílicos, con lo que se espera un orden de
reacción de 2.0. El orden de reacción calculado es de 2.0 (ver tablas de resultados) y el
proceso que gobierna el fenómeno de tintura es la velocidad de adsorción y no la de
reacción. Las ecuaciones que generan datos similares son las ecuaciones de Exponencial y
Vickerstaff, pero también difieren del orden 2.0 calculado.
El palo de Campeche muestra en la grafica del logaritmo de k contra el inverso de T que es
casi lineal, y al igual que el ácido carmínico y el azafrán el orden de reacción es de 1.0 (ver
tablas de resultados) con lo que se podría decir que la velocidad de adsorción se considera
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Cinética y extracción de colorantes naturales
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despreciable donde el proceso de tintura esta gobernado por la reacción. Las ecuaciones
que resultan en velocidades similares son las ecuaciones: exponencial, parabólica,
Exponencial y Vickerstaff, que también difieren del orden 1.0 calculado.
Las ecuaciones de Etters-Ubanik y el modelo hiperbólica difieren de los demás resultados
en todos los casos, sobre todo el modelo hiperbólico, resultando en valores incongruentes.
Las predicciones de los modelos cinéticos son buenas, pero difieren mucho del orden de
reacción calculado en todas las experimentaciones. En los estudios cinéticos, los tiempos
de estudio fueron variables para cada colorante, pero están en función del tiempo en que
tarda en alcanzar la concentración al equilibrio la fibra. Los tiempos en minutos de cada
tintura se muestran a continuación:
Col. / Temp.
Ácido
Carmínico
Palo de
Campeche
Azafrán
Añil
40° C
283
50° C
360
60° C
180
267
250
164
195
129
250
171
105
150
Los tiempos de paro de las experimentaciones fueron determinadas visualmente a través
del instrumento de medición. El criterio que se siguió fue cuando la concentración del baño
de tintura no variaba al menos en 30 minutos, con lo que se confirmaba que la fibra había
alcanzado su punto de saturación.
No se realizaron las experimentaciones en un orden especifico por lo que los tiempos
presentados se presentan de una manera un tanto aleatoria. Es importante señalar que la
estabilidad del sistema está en función de la temperatura, agitación y flujo de la bomba. La
ausencia de un controlador de temperatura obligó que los tiempos de experimentación
fueran largos o bien hasta que la estabilidad del sistema fuera alcanzada.
La temperatura difícilmente variaba una vez alcanzado el estado estable en intervalos no
mayores a 3 horas, el sistema de agitación se reguló a través de un reóstato sujeto a los
cambios variables de voltaje de la línea eléctrica. La bomba peristáltica se reguló con ayuda
de dos reóstatos ajustando el flujo aproximado de 50ml/min.
Es importante señalar que el equilibrio tintóreo es diferente al equilibrio termodinámico, ya
que el tintóreo se refiere al momento en que la fibra no puede retener más colorante y
sencillamente ya no lo acepta, las moléculas de colorante al no encontrar algún sitio activo
chocan contra la superficie de la fibra y regresan al baño de tintura; en cambio, un equilibrio
termodinámico se traduce como una serie de equilibrios infinitos donde la diferencia de
energías libres de Gibbs en la fibra y en el baño son igual a cero, indicándose así que existe
un intercambio de materia y energía diferencial tan pequeño a lo largo de la serie de
equilibrios que no es cuantificable.
La isoterma de adsorción calculada para el añil muestra claramente que se alcanza una
mayor concentración al equilibrio entre más alta sea la temperatura de operación. Esta
información es útil para no desperdiciar colorante en el momento de realizar la tintura. Los
datos divergen de los porcentajes de agotamiento, porque se obtuvieron empleando el
equipo de tintura Mathis Labomat cuya característica principal, es de ser un sistema cerrado
con un buen controlador de temperatura mientras que el otro equipo era abierto a la
atmósfera y con un control de temperatura manual. La oxidación del colorante durante la
tintura mejora el agotamiento del mismo, fenómeno que no sucede en el Labomat por estar
cerrado a la atmósfera. Esto se comprueba fácilmente, al comparar las curvas de
calibración en sistema abierto, el colorante absorbe luz a 680nm y en sistema cerrado a
577nm.
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7. Conclusiones
La fijación del colorante en la fibra se determinó a través de las curvas de agotamiento, si el
colorante presente en la fibra alcanzaba un máximo y decrecía o no se mantenía constante,
se suspendía la experimentación para cambiar las condiciones de operación.
La naturaleza de los colorantes fue determinada a través del análisis elemental,
ubicándolos en la clasificación de colorantes (directos, reactivos, de tina, dispersos, etc.)
decidiendo así el tipo de estudio cinético a desarrollar en cada uno de ellos.
La extracción del colorante amarillo a partir del camotillo del azafrán consume mucho
tiempo y energía. Deberá de encontrarse un método mejor para obtener una mayor
eficiencia. El mordente para el proceso de tintura es el sulfato de cobre.
El añil no presenta buenos rendimientos si el sistema de tintura es cerrado (uso del
Labomat), pero en sistema abierto los agotamientos son superiores al 99%, usando
alumbre para el sistema abierto y cloruro de sodio para el sistema cerrado.
Para teñir lana con ácido carmínico es necesario premordentar el material textil antes de ser
sometido al proceso de tintura, se utiliza alumbre como mordente ya que ofrece buena
fijación de colorante en la fibra.
El palo de Campeche reacciona en presencia de mordentes alcalinos, obteniéndose
tonalidades que van del violeta al rojo escarlata dependiendo de la sal que se emplee, pero
para obtener una fijación adecuada del colorante en la fibra debe de emplearse cloruro de
estaño.
Se realizaron varias pruebas empleando algodón, lana y mordentes con los colorantes
naturales obtenidos, escogiendo las mejores en función de la fijación y su compatibilidad
con la fibra.
Se debe considerar los tiempos de caducidad de los colorantes naturales obtenidos, ya que
entre más viejos son, sus moléculas pueden verse alteradas.
Es importante señalar que se pueden realizar tinturas empleando concentraciones altas de
colorantes, pero quedan sujetas a la poder de medición del instrumento con que se cuente.
Los estudios de velocidad de reacción aparentes realizados de forma continua y no discreta
generan información más confiable para el cálculo de dichas constantes, ofreciendo un
panorama más claro que conjuga fijación y punto máximo de saturación en las fibras
durante las experimentaciones, monitoreando minuto a minuto el progreso de las mismas.
El problema del transporte de materia de los baños de tintura a la fibra se hizo presente en
casi todas las experimentaciones, se sugiere entonces el uso de agentes o compuestos
químicos que mejoren transferencia de materia en los procesos de tintura.
La información obtenida de los agotamientos e isotermas de adsorción nos dan la cantidad
de colorante exacta que se aprovecha durante los procesos de tintura para que en un futuro
no se tengan desperdicios de colorante.
Agradecemos a CONACYT Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por apoyo total al
proyecto 32596-U Extracción, cinética y tintura textil de colorantes naturales.
También agradecemos a nuestros amigos de Qualytel, S. A. y Lanera “La Moderna”, S.A.,
por suministrar las fibras en la condiciones de pureza necesarias para la realización de este
proyecto.
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Referencias
Lokhande H.T and Dorugade V.A. “Dyeing Nylon With Natural Dyes”. American Dyestuff
Reporter, February 1999.
Bhattacharya B.A and Sahasrabudhe A.S. “Dyeing Jute Fibers With Natural Dyes”.
American Dyestuff Reporter, April 1998.
Lokhande H.T, Dorugade V.A. and Naik S.R. “Application of Natural Dyes On Poliester”.
American Dyestuff Reporter, September 1998.
Deo H.T and Desai B.K “Dyeing Of Cotton and Jute With Tea as a Natural Dye”. JSDC Vol
115 July/August 1999.
Rathi A.K.A. and Puranik S.A. “Treatment Of Wasterwater Pollutants From Direct Dyes”.
American Dyestuff Reporter, July/August 1999.
Hamada K, Qian J and Mitsuishi M. “Effects of Bolaform Electrolyte on the Sorption of Acid
Dyes by Silk Fibre” JSDC Vol 115 April 1999.
Etters J. N “Linear Exhaustion Versus Migration: Wich is the Better Road to Rome”.JSDC
Vol 112 March 1996.
Popescu C. “The Kinetics of Dyeing: A Non-Isothermal Approach”. JSDC Vol 114 November
1998.
Aspland J. R “Reative Dyes and Their Application”. American Association of Textile Chemist
& Colorist. Vol. 24, No. 5. May 1992.
McGregor R. And Peters R. H. “The Effect of Rate of Flow on Rate Dyeing. The Diffusional
Boundary Layer in Dyeing”. JSDC. Vol. 81. No. 9. September 1965.
Porter J. J “Interpretation of Sorption Isotherms for Mixtures of Direct Dyes on Cellulose”.
American Association of Textile Chemist & Colorist. Vol. 25, No. 2. February 1993.
Bairathi A. “Dyeing Sorption Isotherms of Three Direct Dyes and Their Mixtures on Purified
Cotton”. American Association of Textile Chemist & Colorist. Vol. 25, No. 12. December.
1993.
Chrastil J. “Adsorption of Direct Dyes on Cotton: Kinetics of Dyeing from Finite Baths Based
on New Information”. Textile Research Journal. July 1990.
Cunningham A. “Identifying Critical Machinery and Dye Parameters for Successful Rapid
Dyeing of Polyester”. American Association of Textile Chemist & Colorist. Vol. 28, No. 2.
February 1996.
Hoffmann F. “Aufzieh–und Ausgleichkinetic bei diskontinuierlichen Färbeprozessen”.
Textilveredlung 24 (1989) Nr. 10.
Farlow S. “Partial Differential Equations for Scientists and Engineers”. John Wiley & Sons
1982.
Madan G.L, Shrivastava S.K. “Physical Chemistry of Dyeing of Cellulosic Fibers with
Reactive Dyes. Part I: The role of electrolytes in the Sorption of Hydrolyzed Reactive Dyes”.
file://D:\conferencias\americas.htm
08/11/2008
Cinética y extracción de colorantes naturales
Page 22 of 22
Textil Research Journal 1979.
Bradbury M. J, Collishaw P.S and Phillips D.A.S. “The Excel Concept For the Dyeing of
Celullose Fibres With Procion H-EXL Dyes”. JSDC Col 108 October 1992.
Etters N. “Flow Rate, Affinity and Levelness in Exhaust Dyeing: An Analysis Bases on
System Kinetics”. American Association of Textile Chemist & Colorist. Vol. 26, No. 1.
January 1994.
Porter J.J “Developing an Equilibirum Equation for Direct Dye Mixures on Cellulose”. Textil
Research Journal 62(4) 1992.
[1]
Profesor de la Escuela Superior de Ingeniería Textil del Instituto Politécnico Nacional, México, D.F.
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