UTILIZACIÓN DE LÍQUIDOS IÓNICOS EN LA SEPARACIÓN AZEOTRÓPICA DEL SISTEMA ETANOL-AGUA

Debido a su importancia industrial y la disponibilidad de los componentes, el sistema (etanol + agua) es uno de los más estudiados. La separación de esta mezcla es requerida con frecuencia en la industria.  A presión atmosférica, el sistema presenta un azeótropo homogéneo de temperatura de ebullición mínima a 78,2°C, siendo la composición de la mezcla 95.63 % etanol.

El etanol tiene múltiples usos, entre ellos se encuentra:

• Como combustible y aditivo de la gasolina
• Como disolvente en la fabricación de barnices, lacas, tintas, pinturas, y productos de limpieza
• En la preparación de esencias y perfumes en la industria cosmética
• Como aromatizantes y espesantes en la industria alimentaria
• Como disolvente de extracción y el portador en la medicina y la industria farmacéutica
• Como un potente desinfectante
• En todas las bebidas alcohólicas

Algunos de estos usos, por ejemplo  como aditivo para la gasolina, requieren concentraciones de alcohol mayores, por lo tanto el azeótropo debe romperse para lograrlo.

Separación de azeótropos: Destilación extractiva

La separación de azeótropos ha sido uno de los mayores retos en la industria de procesos. Entre los métodos conocidos encontramos: destilación azeotrópica, destilación extractiva, destilación por cambio de presión, extracción líquido-líquido, la adsorción y las membranas; siendo la destilación extractiva el proceso más común para la eliminación de uno de los componentes de la mezcla azeotrópica en o cerca de su punto azeotrópico. Consiste en la adición de un nuevo compuesto químico pesado (de arrastre) que interactúa con los componentes mediante la alteración de sus volatilidades relativas.

Disolventes orgánicos, sales inorgánicas o incluso polímeros hiperramificados son los agentes de arrastre más comúnmente utilizados. Entre ellos, las sales inorgánicas se han implementado con éxito, ya que, debido a su polaridad, se pueden disolver fácilmente en la mezcla, creando un efecto notable de sal.

Las sales inorgánicas más comúnmente utilizados son cloruro de calcio y acetato de potasio. Sin embargo, el uso de ellas en el proceso de destilación puede erosionar los platos, precipitar y se acumulan en la torre debido a la causticidad y solubilidad limitada.

Líquidos iónicos como agentes de separación

El uso de líquidos iónicos como agentes de separación integra las ventajas de un disolvente líquido (operación fácil) y una sal sólida (alta capacidad de separación). Además, constituyen una alternativa interesante ya que:

1. Dan lugar a una mínima contaminación del destilado, ya que tienen un punto de ebullición elevado y son térmicamente estables
2. Ofrecen altas selectividades y capacidades debido a la amplia variedad existente y a la posibilidad de modificar sus propiedades variando sus constituyentes
3. Permiten trabajar con relaciones de reflujo más bajas optimizando energéticamente la destilación extractiva
4. Al ser no volátiles pueden regenerarse mediante extracción, evaporación, secado o cristalización.

Por otra parte, las propiedades físicas y de corrosión de los líquidos iónicos son generalmente más adecuadas para procesos de separación que los de las sales inorgánicas fundidas.

Consideraciones para la elección del LI

Son numerosos los LI que se han utilizado para romper este azeótropo. Entre los factores considerados se encuentran:

Efecto del anión:

Es sabido que el anión tiene un papel más importante en la interacción con el disolvente que el catión.

En el punto azeotrópico, los aniones LI más prometedores son [Cl]^- y [OAc]^-. Los líquidos iónicos a base de fosfato de dialquilo también funcionan muy bien a bajas concentraciones de etanol. Hay que tener en cuenta que estos aniones también están presentes en las sales inorgánicas más efectivas utilizadas para este sistema.

Efecto del catión:

Cuanto mayor es la longitud de la cadena del catión, el agente de arrastre es menos eficaz, ya que la volatilidad relativa disminuye.

Cationes pequeños poseen interacciones (LI + agua) más fuertes que las grandes, forzando al etanol en la fase de vapor, aumentando así la volatilidad relativa. Este efecto es insignificante a bajas concentraciones de LI.

Entre los cationes que se han utilizado con mayor frecuencia encontramos el [EMIM]⁺ y [BMIM]⁺.

Concentración de líquido iónico:

Se deben evaluar las interacciones (LI-agua) y (LI-etanol) para determinar la concentración necesaria, ya que el comportamiento difiere según el LI que consideremos.

Referencias

• E. García Bernal, A.P. de los Ríos, FJ. Hernández Fernández, A. Larrosa-Guerrero, A. Ginestá, S. Sánchez Segado, LJ. Lozano, C. Godínez. “Aplicaciones de los líquidos iónicos en la industria química”. IV Jornadas de Introducción a la Investigación de la UPCT, p. 66-68

• A.B. Pereiro, J.M.M. Araujo, J.M.S.S. Esperanca, I.M. Marrucho, L.P.N. Rebelo. “Ionic liquids in separations of azeotropic systems – A review”. J. Chem. Thermodynamics 46 (2012) 2–28

• Yun Ge, Lianzhong Zhang, Xingcai Yuan, Wei Geng, Jianbing Ji. “Selection of ionic liquids as entrainers for separation of (water + ethanol)”. J. Chem. Thermodynamics 40 (2008) 1248–1252