RECUPERACIÓN DE CICLOHEXANO, NAFTALENO Y P

POSTER Nº 14 D (no completar)
RECUPERACIÓN
DE
CICLOHEXANO,
NAFTALENO
P-DICLOROBENCENO A PARTIR DE UN RESIDUO DE LABORATORIO.
Y
Autor/es: Manoni, María Victoria ; Merlino, Manuel; Molinari, María Luz; Najer,
Bárbara; Rajmanovich, Darío; Risso, Agustín y Rotta, Guido
Director/es de la tesis: Bertini, Liliana (Mg.)
Institución/es: Instituto Tecnológico de Buenos Aires (Facultad de Ingeniería)
Palabras claves: Ciclohexano; Solventes Orgánicos; Residuos de laboratorio.
Eje Temático: Comunidad, Participación y Educación Ambiental
Introducción:
En el año 2005 se realizaron estudios sobre caracterización y recolección
selectiva de residuos generados en los laboratorios de química del Instituto
Tecnológico de Buenos Aires (I.T.B.A.). Uno de los solventes orgánicos
generados como residuo es el ciclohexano impurificado, en un promedio de
cuatro litros anuales. En el ITBA se emplea dicho solvente junto con el
naftaleno y el p-diclorobenceno para llevar a cabo la práctica de “Propiedades
Coligativas”. El residuo de dicha práctica es una mezcla de ciclohexano con
aproximadamente 1,5 %m/V de naftaleno y 1,5 %m/V de p-diclorobenceno.
Objetivos:
Objetivo General
Contribuir al desarrollo de una gestión integral de residuos generados en los
laboratorios de química universitarios creando e implementando una
metodología de tratamiento y recuperación de ciclohexano impurificado con
naftaleno y p-diclorobenceno.
Objetivos Específicos
-Reducir el volumen de residuos de laboratorio.
-Reutilizar el ciclohexano recuperado dentro de la misma institución.
-Buscar usos alternativos para el residuo sólido, naftaleno y p-diclorobenceno,
para lograr una reutilización total y reciclado del residuo orgánico.
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Cantidad de Palabras: 2014
Metodología:
Se buscó maximizar el volumen de ciclohexano recuperado y la cantidad de pdiclorobenceno y naftaleno obtenidos en estado sólido. Se analizaron varios
métodos de separación, a saber, distintas variantes de destilación, y
tratamiento con adsorbentes.
Las formas de destilación llevadas a cabo fueron los siguientes:



Destilación simple a presión atmosférica.
Destilación fraccionada, en columna de 50, 100 y 150 cm. de altura a
presión atmosférica.
Destilación simple a presión reducida, en el Rota vapor. El destilado se
envía a la columna fraccionada de 150 cm, mientras que el líquido de
fondo se deja enfriar para obtener las impurezas sólidas.
El análisis inicial de la muestra puso en evidencia la presencia de agua en
cantidades apreciables, la cual debió ser eliminada en una fase previa a la
destilación, para evitar que se produjera arrastre por vapor. Para esto, se utilizó
una ampolla de decantación, seguida de un tratamiento con Na2SO4 anhidro.
Resultados
1. Destilación simple a presión atmosférica
Se realizó una destilación simple de 200 mL del residuo contaminado tomando
alícuotas de 10 mL. Dichas alícuotas se inyectaron en un Cromatógrafo
Gaseoso Hewlett Packard GC System 6890 Series (con detector de ionización
de llama, FID, columna capilar HP 19091S-001 HO-PONA Methyl Siloxane, gas
carrier: hidrógeno y con temperatura inicial 150ºC durante 2 minutos,
temperatura final 200ºC con rampa de temperatura de 30ºC por minuto)
observándose que la separación de los compuestos no era óptima. Ya desde
las primeras fracciones se detectó p-diclorobenceno y naftaleno. Sin embargo
en el residuo de la destilación se observó una concentración de dichos
compuestos con formación de cristales.
2. Destilación fraccionada, en columna de 50 cm de altura, a presión
atmosférica
Se procedió entonces a la destilación con columna de fraccionamiento de 50
cm (tipo Vigreux) con la misma metodología de destilar 200 ml de residuo, de
colectar alícuotas de 10 mL y hacer cromatografías gaseosas de los mismos.
Los resultados mostraron que en el 60% del destilado (los primeros 120 mL) no
se ven trazas de contaminantes por cromatografía gaseosa, En la fracción que
va del 60% al 70% se observó un pico de p-diclorobenceno, concluyéndose
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que el total recuperable en esta primera instancia de destilación es del orden
del 60% de ciclohexano. Las Figuras I y II presentan los cromatogramas de las
fracciones 50%-60% y 60%-70% de la muestra respectivamente.
Figura I
Figura I Cromatograma del primer 60% de destilado por destilación con columna
Vigreux de 50 cm de altura.
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Figura II
Figura II Cromatograma de la fracción 60%-70% de la destilación con columna Vigreux
de 50 cm de altura.
3. Destilación fraccionada en columna de 100 cm de altura, a presión
atmosférica
Se destilaron 200 mL en una columna tipo Vigreux de 100 cm de altura,
aislada.. Se recolectó el 60% inicial (120 mL) por un lado ya que se supuso que
si con una columna de la mitad de longitud que la utilizada se obtenía el 60 %
inicial puro, la separación lograda por la nueva columna sería, por lo menos,
igual de eficaz. Posteriormente se separaron los siguientes 70 mL en
fracciones de 10 mL cada uno, obteniéndose un residuo final en el balón de
aproximadamente 10 mL.
El análisis cromatográfico de las 8 fracciones separadas posteriormente dió
como resultado que era posible recuperar cerca del 75% del ciclohexano puro
por medio de este procedimiento.
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4. Destilación fraccionada en columna de 150 cm de altura, a presión
atmosférica
Se destilaron 400 mL de la solución de ciclohexano impurificado, con columna
tipo Vigreaux de 150 cm, ensamblando una columna de 50 cm y otra de 100
cm Se recolectó el 75% inicial (300 mL) por un lado, suponiendo nuevamente
que la separación sería por lo menos igual de eficaz que con una columna más
corta. Posteriormente, se recolectaron 8 fracciones de 10 mL cada una,
quedando un residuo en el balón de aproximadamente 20 mL.
El análisis cromatográfico del 75% inicial reveló que se trataba de ciclohexano
puro. Al observar los cromatogramas de las fracciones se observó que hasta la
número 6 no se presentan impurezas, lo que elevó el porcentaje de
recuperación de ciclohexano al 90%, (ver Figuras III y IV).
Figura III
Figura III Cromatograma de la fracción 85%- 90% destilada con columna de 150 cm
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Figura IV
Figura IV Cromatograma de la fracción 90%-95% destilada con columna de 150 cm.
Dado que la fracción 90%-95% presenta un porcentaje pequeño de naftaleno,
se volvieron a destilar 400 mL con una columna de 150 cm recogiéndose 370
mL, que corresponde al 92,5%. Se realizó una cromatografía gaseosa de esta
fracción cuyo cromatograma se muestra en la Figura V donde se puede
observar la ausencia de p-diclorobenceno y naftaleno por lo que se concluye
que la recuperación en este proceso es del 92,5%.
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Figura V
Figura V Cromatograma del 92,5% recuperado por columna de 150 cm
5. Destilación simple a presión reducida, en un Rotavapor
Se decidió agregar una destilación simple a presión reducida con el Rotavapor
antes de hacer la destilación fraccionada por dos motivos:
1. Para obtener un mejor rendimiento en la destilación fraccionada del
ciclohexano impuro y de esta manera poder destilar mayor cantidad.
2. Para obtener un residuo concentrado en p-diclorobenceno y naftaleno
que al ser filtrado proporcionara cristales de los mismos.
Dado que la longitud de la columna de destilación fraccionada era muy larga,
las destilaciones requerían un tiempo largo, es decir que para obtener una
primera gota destilada –esto sucede cuando toda la columna adquiere la
temperatura de ebullición del ciclohexano: 80,7ºC - se necesitaba alrededor de
3 horas. Por esta razón se aumentó el volumen del ciclohexano impuro que se
agregaba en el balón en cada destilación y a su vez se hizo una primera
destilación con el Rotavapor para asegurar un mejor rendimiento.
Por el otro lado, la primera destilación con el Rotavapor dio lugar a un residuo
concentrado en p-diclorobenceno y naftaleno. Este residuo fue almacenado ya
que del mismo se obtendrían cristales de p-diclorobenceno y naftaleno
mediante una filtración para ser reutilizados.
6. Reutilización del residuo sólido
Una vez recolectados los cristales de la mezcla de naftaleno con pdiclorobenceno se decidió tratar de fabricar pastillas de la mezcla para emplear
como desodorante en baños o para placares debido a su propiedad
desinfectante y antipolilla. Por lo tanto se analizaron diferentes compuestos que
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podrían actuar como aglutinantes y al seleccionado se lo combinó con una
esencia para proveerle un perfume más agradable.
Tabla I Aglutinantes utilizados para la formación de pastillas de naftaleno y pdicloribenceno
Nº
AGLUTINANTE
1
2
Caseína
PEG
3
Almidón
4
5
PVPP
Agar
6
Al2O3
7
Tierra sílice
OBSERVACIONES
Forma de la pastilla
Volatilidad
Integra
Poco
Integra
Poco
Bastante volátil porque
estando el frasco cerrado
Integra
se vieron cristales en las
paredes del vidrio
Se deshizo
Muy volátil
Se deshizo
Muy volátil
No se pudo formar
(paso 4 del
procedimiento)
No se pudo formar
-
Los aglutinantes seleccionados para la formación de las pastillas fueron PEG y
Caseína porque en relación con los demás daban lugar a una volatilización
gradual de la mezcla a la vez que mantenían la integridad de la pastilla.
7. Esquema final de tratamiento
De acuerdo a los resultados obtenidos se concluye que el mejor proceso de
tratamiento y recuperación del ciclohexano ensayado es el de destilación con
columna de 1,50 m que lleva a una recuperación del 92% aproximadamente.
El residuo remanente, que contiene una alta concentración de naftaleno y pdiclorobenceno, se recupera con el fin de poder utilizarlo como desinfectante
sanitario para un posible uso interno dentro del ITBA. La Figura VI presenta el
esquema del tratamiento final adoptado para la recuperación de ciclohexano.
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Figura VI
MUESTRA
En ampolla para decantar
Sulfato Anhidro de Sodio
Filtrado
Destilación simple a
presión reducida:
Rota Vapor
Producto
destilado
* Nota: dejar como residuo
las primeras gotas del
destilado en caso de que
la columna se empañe
indicando la presencia de
mínimas gotas de agua.
Destilación fraccionada
con columna de 150 cm.*
Ciclohexano Recuperado
Residuo concentrado
Hasta que la velocidad de destilación disminuya
significativamente (razón de 1 gota cada 7 segundos)
Volcar el residuo sobre un cristalizador
Guardar el líquido remanente
Filtrado
Guardar los cristales
Usos de los cristales
Figura VI Esquema final de tratamiento del ciclohexano impurificado
8. Análisis del comportamiento del ciclohexano recuperado
Se le realizó una curva de enfriamiento del solvente recuperado y se observó
que se comportaba como el ciclohexano puro. La temperatura de congelación
del ciclohexano puro y del recuperado fue de 6,5 ºC.
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Durante el primer y segundo cuatrimestre de 2008 se realizó una comparación
del comportamiento del ciclohexano recuperado contra el ciclohexano fresco en
la práctica de Química I “Propiedades Coligativas”. Para ello se utilizó el
solvente recuperado por destilación en parte de los grupos de alumnos de
laboratorio y se compararon los resultados de los cálculos de las constante
crioscópica y el punto de congelación obtenidos por ellos, con otro grupo de
alumnos que utilizó el ciclohexano PA inicial. Las constantes crioscópicas
obtenidas por ambos grupos de alumnos se muestran en la Tabla II Ambos
valores no presentan diferencia significativa entre los dos grupos de estudio
(ciclohexano fresco y ciclohexano destilado) para un nivel de confianza del 95
%. Es decir que el ciclohexano recuperado presentó el mismo comportamiento.
Tabla II Constantes crioscópicas calculadas por los alumnos de los cursos de Química
I durante ejecución de Trabajos prácticos
Ciclohexano fresco
Kc ( ºC/m)
19,76 ± 0,77
Ciclohexano destilado
Kc ( ºC/m)
19,98 ± 0,74
Valor teórico (1)
Kc ( ºC/m)
20,0
Es importante destacar que al ciclohexano recuperado se
lo valida
cromatográficamente ya que no presenta impurezas apreciables de naftaleno y
p-diclorobenceno. Incluso el solvente recuperado resultó ser de mejor calidad
que el ciclohexano inicial o “fresco” ya que este presentaba una impureza que
en el destilado y recuperado no fue hallada.
Conclusiones
De acuerdo a lo esperado, fue posible hallar un método viable para el
tratamiento de los residuos. Se logró recuperar entre un 92.5% y un 95% de
ciclohexano sin impurezas detectables utilizando la máxima resolución del
cromatógrafo. Además, se encontró un uso alternativo para el residuo sólido,
principalmente naftaleno y p-diclorobenceno, como pastillas desinfectantes. De
esta forma se redujo en su totalidad la generación de residuos peligrosos
(inflamables y tóxicos) de la universidad, evitando a su vez su costo de
tratamiento.
El resultado final de este proyecto fue la reutilización total y reciclado de un
residuo peligroso originado en los laboratorios.
Por otra parte creemos que este trabajo resulta un claro ejemplo de lo que
ocurre en muchos institutos universitarios respecto del cuidado
medioambiental. En el comienzo el proyecto elaboramos una larga lista de
opciones a analizar y empezamos con las más sencillas. Obtuvimos como
resultado que la técnica más simple de todas las propuestas fue totalmente
viable y se obtuvo un muy alto grado de separación. Por lo cual instamos a
miembros de distintas instituciones a elaborar este tipo de proyectos ya que
muchas veces es más sencillo de lo que aparenta y se obtienen muy buenos
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resultados como se pueden ver en la tabla y los cromatogramas presentados
anteriormente.
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Bibliografía
1-
BERTINI, Liliana María (2005): Gestión de residuos en los laboratorios de
Química del Instituto Tecnológico de Buenos Aires. Informe pasantía para
la Maestría sobre Gestión Ambiental, Universidad Nacional de San Marín..
2-
ANGELINI, BENITEZ, SERVANT, BULWIK (1995): Temas de química
general, versión ampliada, editorial Eudeba, segunda edición
3-
SANDLER, S.I: Chemical, Biochemical, and Engineering
Thermodynomics, editorial Wiley, cuarta edicion
4-
LEVINE, Ira (2004): Fisicoquimica Volumen 1 y 2, editorial Mc. Graw Hill,
quinta edición
5-
PERRY, Robert (2007) Perry´s Chemical Engineer´s handbook, editorial
Mc. Graw Hill, septima edicion
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RECUPERAC IÓN DE C ICLOHEXANO, NAFTALENO Y P-DICLOROBENCENO
A PARTIR DE UN RES IDUO DE LABORATORIO
Autores : María Vic toria Manoni, Manuel Merlino, María Luz Molinari, Bárbara Nager, Darío
R ajmanovic h, Agus tín Daniel R is s o, G uido R otta
Tutora: Liliana Maria Bertini
Departamento de Ingeniería Químic a, Ins tituto Tecnológico de Buenos Aires
INTRODUCCION
METODOLOGÍA
En este proyecto se trabajó con residuos peligrosos generados en los laboratorios
de enseñanza de química del Instituto Tecnológico de Buenos Aires (ITBA) con el
fin de lograr su reutilización total.
La corrientes a tratar fue una mezcla de ciclohexano impurificado
aproximadamente con 1.5% m/v de naftaleno y 1.5% m/v de p-diclorobenceno.
El método de purificación fue la destilación, mediante la cual se recuperó el
solvente (ciclohexano) y se encontró un método de reutilización de la mezcla de
impurezas remanentes (naftaleno y p-diclorobenceno). Previo a la destilación se
removió el agua mediante decantación y deshidratación con Na2SO4 anhidro. A su
vez, para optimizar la recuperación de los sólidos, se llevó a cabo, luego de
eliminar el agua, una destilación a presión reducida en Rotavap para concentrar las
impurezas, las cuales se trataron con distintos aglutinantes para formar pastillas
que puedan utilizarse como desodorantes de baños o antipolillas. Por su parte, el
destilado del Rotavap se envió a destilar en la columna fraccionada para conseguir
la recuperación
del ciclohexano.
:
El método de medición de concentraciones empleado fue la cromatografía
gaseosa.
Triple columna tipo Vigreaux
de 50 cm. cada una
Rota Vapor
Manta
calefactora
RESULTADOS
ESQUEMA FINAL
Ciclohexano recuperado
Ciclohexano crudo (comprado)
MUESTRA
En ampolla para decantar
Sulfato Anhidro de Sodio
Filtrado
Constante criogénica (Kc) [ºC/m]
Ciclohexano crudo
Ciclohexano destilado
Valor bibliográfico
19,76 ± 0,77
19,98 ± 0,74
20
Destilación simple a
presión reducida:
Rota Vapor
Producto
destilado
* Nota: dejar como residuo
las primeras gotas del
destilado en caso de que
la columna se empañe
indicando la presencia de
mínimas gotas de agua.
1
2
3
4
5
6
7
Destilación fraccionada
con columna de 150 cm.*
Residuo concentrado
Volcar el residuo sobre un cristalizador
Guardar el líquido remanente
Volatilidad
Baja
Baja
Media
Alta
Alta
Alta
Alta
CONCLUSIONES
Ciclohexano Recuperado
Hasta que la velocidad de destilación disminuya
significativamente (razón de 1 gota cada 7 segundos)
Aglutinante
Resultado
Caseína
Integra
PEG
Integra
Almidón
Integra
PVPP
Se deshizo
Aguar
Se deshizo
Al 2O3
No se forma
Tierra sícile No se forma
Filtrado
Guardar los cristales
Usos de los cristales
El método desarrollado para el tratamiento de la mezcla inicial originada en el laboratorio
permitió recuperar más del 92.5% de ciclohexano puro, sin impurezas cuantificables
cromatográficamente. De hecho, se observa en los cromatogramas dispuestos arriba
cómo el ciclohexano recuperado presenta mayor pureza incluso que aquel disponible
comercialmente. Este ciclohexano recuperado ya está siendo utilizado en las prácticas
de laboratorio, dando resultados aún más precisos que los anteriores.
Las impurezas sólidas (naftaleno y p-diclorobenceno), por su parte, fueron reutilizadas
mediante la formación de pastillas de desinfección y antipolillas (con el agregado de
esencias para darles mejor aroma).
El líquido remanente de fondo de la columna fraccionada se vuelve a tratar junto con la
mezcla fresca, de forma cíclica.
Mediante este esquema de tratamiento puede lograrse una recuperación y reutilización
del 100% de la mezcla, la cual inicialmente era un residuo peligroso.
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