II Trimestre Métodos Físicos de separación de mezclas

Métodos Físicos de separación de mezclas

            Desde la antigüedad la humanidad ha tratado de separar los componentes de las mezclas y de distintos materiales con el fin de obtener sustancias en estado más puro las cuales les sean útiles y valiosas para ser usadas en productos como medicamentos, combustibles, joyas, alimentos, bebidas estimulantes como el té y el café, bebidas alcohólicas, etc. Para lograr estas separaciones se han empleado diferentes técnicas y métodos, los cuales pueden ser físicos o químicos, dependiendo de lo que se quiera separar, a menudo se da una combinación de ambos procesos. En este apartado solo tomaremos en cuenta algunos métodos físicos, los cuales son relativamente sencillos, veamos algunos.

Decantación

            Es el proceso físico de separación más sencillo que existe el cual se utiliza para separar partículas sólidas insolubles de un líquido, para esto un material en suspensión se deja reposar durante unos momentos, dejando que la gravedad actúe sobre las partículas sólidas depositándolas en el fondo y posteriormente se decanta el líquido transvasándolo a otro recipiente cuidando que el sedimento permanezca en el fondo del recipiente. También se usa el embudo de decantación para separar líquidos inmiscibles o insolubles entre sí como el agua y el aceite.

   Proceso de decantación

Embudo de decantación para separar líquidos inmiscibles o insolubles entre sí.

Filtración

            Es un proceso físico sencillo el cual es más efectivo que la decantación, se usa para separar sólidos insolubles de un líquido o de un gas, para esto se utiliza ciertas clases de materiales porosos tales como el algodón, telas, papel, cartón, fibras, carbón, arena, malla plástica o metálica, etc. Estos materiales permiten el paso del líquido o del gas, pero no de las partículas sólidas.

                                               Equipo sencillo de filtración

Tamizaje

Es un proceso sencillo para separar un sólido de mayor tamaño o grueso de otro sólido más pequeño o fino, por ejemplo en una construcción cuando se necesita arena más fina se pasa por una zaranda o cedazo, la cual consiste en una malla de aluminio o plástico, de forma que el hormigón o piedrilla queda retenido en la zaranda o tamiz, y la arena más fina pasa a través de ella.

Proceso de tamizado

Separación de sólidos por magnetismo

El hierro se puede separar de la chatarra, o basura usando un gran imán que lo atrae y lo separa del resto de materiales no magnéticos, también podemos separar las virutas de hierro de la arena usando un imán.

Separación del hierro de la arena

Evaporación sencilla

Es un proceso que se usa para separar un sólido soluble de un líquido, por ejemplo si disolvemos sal (NaCl) en agua y queremos separarlos nuevamente, simplemente calentamos el agua hasta evaporarla y obtenemos la sal, ya que esta no se evapora. No obstante si queremos recuperar el agua en estado líquido debemos de utilizar un proceso un poco más complejo llamado destilación.

Evaporación sencilla

Destilación

La destilación es un proceso que se usa para separar un sólido soluble de un líquido o para separar dos líquidos solubles entre sí, para esto se calienta la mezcla líquida hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor o gas y, a continuación, se enfrían los vapores o gases en un tubo condensador, el cual como su nombre lo indica condensa los vapores y los vuelve líquidos nuevamente.

                                               Sistema de destilación simple

La separación del alcohol del agua es un ejemplo del proceso de destilación. Cuando se lleva a ebullición una disolución de alcohol, la mayor parte del vapor inicial es de alcohol, pues alcanza su punto de ebullición antes que el agua (a unos 78,5 °C), en tanto que el agua ebulle a 100 °C. El vapor se recoge y se condensa obteniendo el destilado que por lo general se realiza varias veces para obtener la mezcla de alcohol más concentrada y pura, que se emplea para fabricar licores como el whisky o alcohol puro para uso antiséptico o en procesos industriales.

Destilación del whisky. Este alambique de cobre concentra el alcohol después del proceso de fermentación.

Desalinización del agua

La desalinización es un proceso que utiliza el principio de destilación para extraer la sal del agua de mar. El agua se calienta y se bombea a un tanque de baja presión, donde se evapora parcialmente. A continuación, se condensa el vapor formado por esta evaporación y se condensa como agua pura. El proceso se repite varias veces. El líquido restante, llamado salmuera, contiene una gran cantidad de sal, y a menudo se extrae y se procesa para obtener minerales. 

            Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren ligeramente, no se puede conseguir la separación total en una destilación individual. Un ejemplo importante es la separación de agua, que hierve a 100 °C, y alcohol, que hierve a 78,5 °C. Si se hierve una mezcla de estos dos líquidos, el vapor que sale es más rico en alcohol y más pobre en agua que el líquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar una disolución que contenga un 10% de alcohol (como la que puede obtenerse por fermentación) para conseguir una disolución que contenga un 50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de volver a destilarse una o dos veces más, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias destilaciones, al menos tres.

Destilación fraccionada

La destilación fraccionada se usa para separar mezclas de muchos componentes como por ejemplo el petróleo, para esto se usa una columna de fraccionamiento, la cual va recogiendo en diferentes alturas los distintos componentes de la mezcla que se separan por diferencias de punto de ebullición y peso molecular.

Así en una columna de fraccionamiento típica en la parte superior de la misma se acumulan los gases como el propano o butano que se usan como combustible para cocinar en casas, restaurantes y fábricas, un poco más abajo tenemos a las gasolinas líquidas las cuales se usan como combustible para automóviles, bajando más se ubica el queroseno o gasóleo que se usa como combustible para los aviones luego tenemos al diesel que se usa como combustible para camiones, autobuses y algunos automóviles y vehículos todo terreno, también el diesel se usa como combustible para plantas térmicas de generación eléctrica.

Descendiendo aún más en la columna de fraccionamiento encontramos a los aceites que van de los ligeros a los más pesados o espesos, más abajo encontramos a las grasas, tanto los aceites como las grasas se utilizan como distintos tipos de lubricantes, y por último en los niveles más inferiores hayamos el búnker y los asfaltos que se usan para la pavimentación de carreteras.

Liofilización

Es un método de separación muy utilizado en la industria alimenticia y la médica, básicamente consiste en congelar el alimento o medicamento y luego extraer toda la humedad mediante sublimación al vacío en una cámara de vacío.

Al quitarle toda la humedad al producto o sustancia, hace que el alimento o producto médico se conserve mejor por mucho tiempo sin necesidad de mantenerlo bajo refrigeración, por lo que ahorra energía y aumenta la vida útil del producto.

Ejemplos de alimentos liofilizados son las bebidas en polvo, las sopas instantáneas, la leche en polvo, el café instantáneo, etc.

Entre los productos médicos liofilizados están los sueros antiofídicos (antídotos contra la mordedura de serpientes venenosas), y algunos antibióticos.

Cámara de liofilización

Lixiviación

Es un proceso de separación que consiste en aplicar un disolvente líquido a un sólido para extraer sustancias solubles del sólido.

Veamos tres ejemplos de lixiviación:

1. Lixiviación de los suelos

La lixiviación de los suelos produce infertilidad en estos ya que los despoja de los minerales que permite a las plantas crecer sanamente, este proceso se produce cuando se talan los bosques de una cierta área y al quedar los suelos desprovistos de su cubierta boscosa cuando vienen las lluvias erosionan los suelos que arrastran los minerales de este y parte de estos minerales también se infiltran en las capas más profundas del suelo arrastrados por el agua, dejando la capa superior del suelo que es donde crecen las plantas sin minerales, por lo que obtenemos un suelo estéril.

2. Lixiviación en botaderos a cielo abierto

Cuando hay botaderos a cielo abierto y los desechos sólidos no reciben el debido tratamiento, cuando vienen las lluvias, algunas de las sustancias contaminantes y tóxicas presentes en los desechos se disuelven en el agua llovida infiltrándose en el suelo, cuando estos contaminantes lixiviados penetran profundamente las capas del subsuelo, en ocasiones se encuentran con mantos acuíferos contaminándolos, de forma que cuando esta agua se extrae a la superficie para consumo humano u otros usos, puede venir contaminada con peligrosas bacterias, agroquímicos u otras sustancias químicas tóxicas, estando la fuente de extracción del agua quizás muy lejos de los focos de contaminación.

3. Lixiviación para extracción de minerales

Algunos minerales metálicos como el oro y el cobre se pueden extraer por lixiviación, en el caso del oro se usa una sustancia que contiene cianuro, el material se coloca en pilas de lixiviación en las cuales se aplica el cianuro el cual se une al oro y lo separa del resto del material, luego se elimina el cianuro y se obtiene el oro puro, el peligro de este método es que el cianuro es una sustancia sumamente tóxica.

Infusiones

 Las infusiones consisten en agregar agua caliente a partes de plantas como hojas, tallos, flores, frutos, raíces o semillas, con el fin de extraer de estas sus principios activos, de esta forma preparamos el café y el té, como ejemplos.

Cromatografía

Es un conjunto de técnicas relativamente similares para separar los componentes de mezclas complejas, como pigmentos, muestras biológicas, etc. Se basa en el principio de adsorción selectiva, la cual utiliza materiales adsorbentes de diferentes tipos y disolventes orgánicos o inorgánicos.

Esta técnica fue empleada por primera vez por el ruso Míjail Swett en 1906, el cual separó los pigmentos de la clorofila utilizando un tubo de vidrio recubierto con carbonato de calcio como fase estacionaria y éter etílico como disolvente orgánico, hoy día se utilizan diversos tipos de cromatografías principalmente para análisis químicos de tóxicos, de pigmentos, de muestras biológicas como sangre, ADN, etc.

Entre las técnicas cromatográficas tenemos:

- de papel

- de capa fina

- en gel

- de gases

- etc.

Cromatografía de papel