Solubilidad de contaminantes orgánicos persistentes en propano e isobutano a alta presión.

Resumen

Este trabajo constituye una aproximación a la aplicación de la extracción supercrítica en el sector medioambiental y, más concretamente, en el subsector de las tecnologías de descontaminación. Su objetivo último será analizar si la aplicación de esta técnica a la limpieza de matrices sólidas contaminadas con contaminantes orgánicos pesrsistentes (POPs, Persistent Organic Pollutants) es viable. Los POPs y sus derivados son considerados tóxicos y peligrosos. Algunos también son calificados también de mutagénicos y teratogénicos. Y muchos de sus metabolitos son potenciales carcinógenos para animales y humanos. Por tanto, cualquier matriz contaminada con este tipo de compuestos, como podría ser un suelo contaminado, un catalizador desactivado o un adsorbente agotado, podría causar daños en los seres vivos y/o el medio ambiente. En este contexto, y teniendo en cuenta que las técnicas clásicas usadas para su descontaminación (degradación fotocatalítica, incineración, desorción térmica, extracción con disolventes orgánicos, etc.) han resultado ser incompletas o ineficaces, llegando incluso a generarse residuos adicionales en algunos casos, surge la presente Tesis Doctoral. Con ella se pretende evaluar si la recuperación de matrices sólidas contaminadas con POPs mediante extracción con fluidos supercríticos puede ser viable. Obviamente, para determinar la viabilidad del proceso de extracción se necesita conocer previamente la solubilidad de los POPs en el fluido supercrítico usado como disolvente, pues es un parámetro con un impacto directo tanto en el rendimiento como en el diseño y la economía del proceso. Por tanto, la presente Tesis Doctoral fue planteada con la finalidad de satisfacer la demanda de datos de solubilidad que se requiere para el diseño del proceso de extracción de POPs de matrices sólidas con fluidos supercríticos. Además, con el fin de poder extrapolar los resultados experimentales de solubilidad a condiciones distintas a las que fueron obtenidos y abordar la optimización matemática del proceso, se ha llevado a cabo el modelado de los datos experimentales mediante modelos termodinámicos y empíricos. En el estudio experimental de solubilidad se ha obtenido que, con independencia del disolvente analizado, la variable aumenta al incrementar isotérmicamente la presión debido al aumento producido en la densidad del disolvente. En cambio, la solubilidad aumenta o disminuye al incrementar isobáricamente la temperatura dependiendo de que el efecto predominante sobre la solubilidad sea, respectivamente, la presión de vapor del soluto o la densidad del disolvente. En el predominio de uno u otro efecto intervienen, además, diferentes propiedades de los solutos y disolventes, como sus pesos moleculares, estructura, polaridad, etc. En cuanto a las solubilidades obtenidas por los distintos solutos en propano y en isobutano, en el intervalo experimental estudiado se ha encontrado que varían según el siguiente orden: DBT > antraceno > 9H-carbazol > TTDS > NPDS. A su vez, al comparar la solubilidad de cualquier soluto en los distintos disolventes se encuentra que varía según el orden: isobutano > propano >> CO2 . El orden de solubilidad observado para los distintos solutos estudiados parece deberse al efecto que la presión de vapor de los solutos tiene sobre la solubilidad de los mismos. La mayor solubilidad corresponde al soluto que mayor presión de vapor tiene, el DBT, y así sucesivamente. La excepción se encuentra en el soluto TTDS que, pese a su relativa alta presión de vapor (del mismo orden que la del antraceno), muestra una solubilidad muy baja, probablemente debido a su alta polaridad. En cuanto a la capacidad de los disolventes analizados a la hora de disolver este tipo de compuestos, se ha encontrado que todos ellos son más solubles en isobutano que en propano y, en este último, mucho más solubles que en CO2. La mayor capacidad del isobutano ha sido atribuida a su mayor polarizabilidad. Con relación al modelado, se ha encontrado que la ecuación de Peng-Robinson representa los datos experimentales de solubilidad ligeramente mejor que la ecuación de Chrastil, aunque el ajuste que proporcionan las dos ecuaciones es muy satisfactorio. Finalmente, en base al estudio realizado y a datos de la bibliografía ha sido posible abordar, en una primera aproximación, el diseño y la evaluación económica del proceso de descontaminación de matrices sólidas contaminadas con POPs mediante fluidos supercríticos. Se ha encontrado que los costes del proceso de descontaminación son competitivos con respecto a los de otras tecnologías (incineración, oxidación con agua supercrítica o técnicas biológicas).