Desarrollo de un sistema modular de membranas líquidas para la separación y determinación de lantánidos, utilizando el ácido di(2-etilhexil) fosfórico como transportador

Abstract

Los lantánidos constituyen un grupo de metales fascinante, con unas propiedades químicas muy similares. Aunque no es posible encontrarlos como constituyentes principales de los productos usados a diario, están detrás de toda la revolución tecnológica de la miniaturización electrónica actual. Debido a la similitud de sus propiedades químicas y de los procesos de formación de sus minerales, la separación de estos elementos ha constituido desde su descubrimiento un gran reto. Nuestro trabajo se enfoca en la búsqueda de métodos de separación empleando la extracción líquido-líquido en un soporte polimérico en formato tubular. Se escoge el neodimio como representante de los lantánidos y D2EHPA como agente extractante. Se estudian los parámetros que influyen en la cinética de su extracción empleando una membrana líquida de volumen. Se calculan las constantes de velocidad del transporte de neodimio y holmio a través de la membrana líquida. Se estudia la influencia del pH de la disolución cargada, la concentración inicial de metal y la presencia de una sustancia tampón en la disolución cargada que luego serán aplicados en las diversas configuraciones de membrana líquida estudiados. Se desarrolla un modulo de vidrio y PVDF con una membrana líquida soportada en una fibra hueca. Se emplea para conseguir la concentración de neodimio y en la separación de éste del holmio. Se analizan las características hidrodinámicas del sistema para maximizar el transporte empleando la permeabilidad como parámetro de seguimiento del transporte del metal. Se encuentra que para la misma velocidad lineal el transporte se ve más favorecido cuando el metal se transporta desde el interior hacia el exterior de la fibra hueca. Se observa que en las condiciones estudiadas el neodimio efectivamente se transporta mientras que el holmio se queda retenido en la membrana líquida. Con los parámetros anteriores se desarrolla un módulo concentrador en línea para determinar cantidades reducidas de neodimio en un sistema FIA. Se emplea el mismo lado de la membrana líquida soportada para la realización de los fenómenos de extracción y reextracción. Se alcanzan límites de detección del orden de 100 veces los límites atribuibles al sistema de determinación por sí solo. Es posible determinar neodimio en presencia de lantánidos pesados y algunos elementos como calcio, níquel, zinc, cobre y magnesio que también son extraidos habitualmente con D2EHPA. No es posible hacerlo cuando se trata de lantánidos del grupo de los ligeros y de hierro que presentan una interferencia muy elevada. Para poder evaluar la concentración de metal en las disoluciones acuosas, se emplearon dos métodos de análisis. Por una parte un sistema FIA con un método colorimétrico con Arsenazo III que permite el análisis de muestras con un pH muy diferente entre ellas, gracias al uso de un canal neutralizador con un tampón. Por otra un sistema HPLC con una columna modificada dinámicamente con DDS y utilizando una fase reversa con HIBA, que permite el análisis de todos los elementos lantánidos en muestras que los contienen a todos ellos. Se aplica al análisis de muestras reales de mineral de bastnasita. Se desarrolla un módulo de vidrio con una membrana líquida de volumen, contenida en una fibra hueca, que permite la concentración y separación en continuo de tierras raras empleando D2EHPA como extractante. Se produce la recuperación efectiva en un alto grado de eficacia de neodimio incluso con tiempos cortos de contacto. En las condiciones estudiadas no es posible la separación de los diferentes lantánidos.

The lanthanides are a fascinating group of metals, with very similar chemical properties. Even it is not possible to find them as main constituents of products used on a daily basis, they are behind all the technological revolution of the nowadays electronic miniaturization. Due to the similarity of their chemical properties and the processes of formation of their ores, separation of these elements has constituted a great challenge since its discovery. Our work focuses on the search for methods of separation using the liquid-liquid extraction in a polymeric support in tubular form. As representative of the lanthanides neodymium and D2EHPA as extraction agent is chosen. We study the parameters influencing the kinetics of extraction using a bulk liquid membrane. The speed constants of the transport through the liquid membrane of neodymium and holmium are calculated. It is discussed the influence of the pH, the initial concentration of metal and the presence of a buffer substance in feed solution that then will be applied in the different configurations of liquid membrane studied. It is developed a glass and PVDF module with a hollow fibre supported liquid membrane inside. It is used to achieve the concentration of neodymium and its separation from holmium. The hydrodynamic characteristics of the system are analyzed to maximize transport using the permeability as a parameter of the transport of metal tracking. It is found that, for the same linear speed, transport is favoured when metal goes from the lumen towards the shell of the hollow fibre. It is observed that in the studied conditions neodymium is actually transported while the holmium is retained in the liquid membrane. With the previous parameters an in line concentrator module is developed for determining small amounts of neodymium with a FIA system. It employs the same side of the supported liquid membrane to carry out extraction and re-extraction phenomena. It reaches limits of detection of the order of 100 times attributable to the system determination limits itself only. It is possible to determine neodymium in the presence of heavy lanthanides and some elements like calcium, nickel, zinc, copper and magnesium which are also commonly extracted with D2EHPA. It is not possible to do so with iron and the light lanthanides group that present a very high interference. Two methods of analysis were used to evaluate the concentration of metal in aqueous solutions. On the one hand a FIA system with a colorimetric method with Arsenazo III that allows the analysis of samples with a very different pH between them, thanks to the use of a buffer neutralization channel. On the other hand an HPLC system with a column dynamically modified with DDS and using a reversed phase with HIBA, which allows the analysis individual lanthanide elements in samples containing all of them. That is applied to the analysis of real samples of bastnasite ore. It is developed a glass module with a bulk liquid membrane, contained in a hollow fibre, which allows the concentration and continuous separation of rare earths using D2EHPA as extracting agent. It is achieved the effective recovery in a high degree of neodymium even with short contact times. The separation of the different lanthanides is not possible under the conditions studied.