2. Chapter 2: Background
2.3. Tabletops for Learning
2.3.5. Multiple Tabletops in the Classroom
Para llevar a cabo la optimización del proceso extractivo, se utilizó una muestra de sedimento (con niveles de cadmio menores al ímite de detección), previamente tamizado y muflado, fortificado con una cantidad conocida de cadmio para lograr un nivel de 7,3 ppm de metal movilizable.
Según la literatura, la extracción y preconcentración de metales mediante líquidos iónicos285 se ve favorecida por la utilización de agentes quelantes286,287 medios ácidos288 y
285 A. Stojanovic, B. K. Keppler, Sep. Sci. Technol.2012, 47, 189–203
Sales de tiofenio. Aplicación analítica en métodos de extracción y preconcentración
M. A. Schiel Página | 144
surfactantes289 para promover la solubilización de iones metálicos. Por este motivo, se realizó una serie de ensayos preliminares (Tabla 4.2) para encontrar la mejor combinación de reactivos que pueden ayudar a la extracción del Cd movilizable en sedimentos.
Tabla 4.2 Pruebas de extracción de Cd en diferentes sistemas extractivos.a
Entrada Liquido iónicoc Ac. Acético (l) Otro Recuperación (%)b
1 1,2dmbt BF4 100 - 84 2 - 100 - 78 3 1,2dmbt BF4 100 2-mbtd 84 4 1,2dmbt BF4 - 2-mbtd 2,8 5 BMIm Cl - - 1,4 6 BMIm Cl 100 - 74 7 1,2dmbt BF4 - Triton X100e 9,8 8 - - Triton X100e 6,1 9 1,2dmbt BF4 - SDSe 6,1 10 - - SDSe 7,1 11 1,2dmbt BF4 - CTABe 40 12 - - CTABe 10
a 0,5 g de sedimento enriquecido con 7,3 ppm de Cd2+ movilizable, sonicados con un volumen de 5 ml de extractante; b de la porción movilizable; c 10 mM; d conc.; 3,3 mM; e conc. 4 %.
De acuerdo a las entradas 1 y 2 de la Tabla 4.2, se puede observar que la combinación del IL y el ácido acético permitieron obtener los mejores porcentajes de extracción. Teniendo en cuenta que existen registros bibliográficos donde se utilizan líquidos iónicos funcionalizados con azufre (con pares de electrones libres) para la extracción de metales pesados, 290,291 o una mezcla de un líquido iónico comercial con un quelante azufrado,292 se realizó la extracción adicionando benzo[b]tiofeno hasta alcanzar una concentración 1 mM, esperando que el 1,2dmbt BF4 ayude a emulsionar al benzotiofeno en el seno del líquido y que éste a su vez pueda coordinarse con el metal y extraerlo. Como se observa en las entradas 3 y 4, la ausencia de ácido acético no beneficia la extracción. Para evaluar si el anillo heterocíclico tiene alguna influencia, esta misma experiencia se realizó con un IL proveniente
287 S. Tandy, K. Bossart, R. Mueller, J. Rirschel, L. Hauser, R. Schulin, B. Nowak, Environ. Sci. Technol.2004, 38,
937–44
288 M. S. Álvarez, E. Gutiérrez, A. Rodríguez, M. Á. Sanromán, F. J. Deive, Ind. Eng. Chem. Res.2014, 53, 8615–20 289 L. Yao, H. Liu, X. Wang, W. Xu, Y. Zhu, H. Wang, L. Pang, C. Lin, Food Chem.2018, 256, 212–18
290 A. E. Visser, R. P. Swatloski, W. M. Reichert, R. Mayton, S. Sheff, A. Wierzbicki, J. Davis, R. D. Rogers, Chem. Commun.2001, 0, 135–36
291 R. Leyma, S. Platzer, F. Jirsa, W. Kandioller, R. Krachler, B. K. Keppler, J. Hazard. Mater.2016, 314, 164–71 292 G. T. Wei, Z. Yang, C. J. Chen, Anal. Chim. Acta2003, 488, 183–92
Sales de tiofenio. Aplicación analítica en métodos de extracción y preconcentración
M. A. Schiel Página | 145
de otro heterociclo (cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio, BMIm Cl), obteniéndose recuperaciones algo menores (entradas 5 y 6). Finalmente, se llevó a cabo la extracción utilizando distintos tipos de surfactantes, en ausencia de ácido acético, siendo los resultados poco favorables (entradas 7 - 12).
De la Tabla 4.2 se escoge la entrada 1 como condición base para llevar a cabo la optimización por diseño de experimentos. Entre las variables que pueden influir en la eficiencia de la extracción se encuentran: la potencia, los ciclos y el tiempo de sonicación, la concentración del ácido y el tipo de líquido iónico utilizado. Debido a que son demasiadas variables a optimizar se escoge el diseño Plackett-Burman293 (PB) como método de cribado (screening) para definir las variables que afectan significativamente al resultado.
El PB es un diseño no regular de dos niveles, donde el número de experimentos a realizarse es siempre múltiplo de 4. En este tipo de diseño, con n experimentos pueden determinarse hasta n-1 factores principales, pero si son menos las variables que están bajo estudio, los factores restantes van a ser variables fantasma (factores dummy), sin significado químico, pero van a servir para estimar el error experimental. Cuantos más dummies hayan, mejor va a ser la estimación del error, por lo que muchas veces resulta conveniente utilizar un diseño PB mayor al estrictamente necesario, ya que se obtiene una información de mejor calidad en la significancia de cada factor experimental.294,295
Para este estudio se escogió un diseño de 12 experimentos, para analizar la significancia de 5 variables en dos niveles (Tabla 4.3), con 6 variables dummies para estimar el error.
293 R. L. Plackett, J. P. Burman, Biometrika1946, 33, 305 294 Anal. Methods2013, 5, 1901–3
Sales de tiofenio. Aplicación analítica en métodos de extracción y preconcentración
M. A. Schiel Página | 146
El tiempo de sonicación varió entre 5 y 9 minutos, la potencia entre 110 y 187 Watt y los ciclos de sonicación entre 50 y 90%. La potencia y los ciclos se escogieron teniendo en cuenta los límites recomendados para el equipo. Los dos líquidos iónicos elegidos fueron los de mayor solubilidad en agua (1,2dmbt BF4 y 2b1mbt BF4), a una concentración 10 mM.
El diagrama de Pareto (Gráfico 4.5)muestra que la única variable significativa es el ácido acético, indicando que por sí solos, estos líquidos iónicos no extraen cadmio. Sin embargo, se observa una mejora en el porcentaje de extracción cuando estos son utilizados. En cuanto a la variable significativa, se realizó una optimización paso a paso obteniéndose una recuperación del 92% con 200 μl de ácido acético.
Tabla 4.3 Experimentos del diseño PB con las variables decodificadas y resultado de la recuperación
de cadmio.a
Exp.
Factor A Factor B Factor C Factor D Factor E
Recuperación (%)c Potencia (Watt) Ciclos (%) Tiempo (min) Liquido Iónicob Ác. Acético (l) 1 187 90 9 1,2dmbt BF4 100 85 2 187 50 9 1,2dmbt BF4 0 1,7 3 110 50 5 2b1mbt BF4 100 87 4 110 50 9 2b1mbt BF4 100 81 5 187 90 5 2b1mbt BF4 100 88 6 187 50 5 1,2dmbt BF4 100 82 7 110 90 5 1,2dmbt BF4 0 2,8 8 110 90 9 2b1mbt BF4 0 1,9 9 187 90 5 2b1mbt BF4 0 0,99 10 110 50 5 1,2dmbt BF4 0 0,99 11 110 90 9 1,2dmbt BF4 100 87 12 187 50 9 2b1mbt BF4 0 0,1
a 0,5 g de sedimento enriquecido con 7,3 ppm de Cd2+ movilizable, sonicados con un volumen de 5 ml de extractante; b conc. 10 mM; cde la porción movilizable.
Sales de tiofenio. Aplicación analítica en métodos de extracción y preconcentración
M. A. Schiel Página | 147
Gráfico 4.5 Gráfico de Pareto estandarizado para las variables optimizadas. Factor A: Potencia; factor
B: ciclos; factor C: tiempo; factor D: tipo de líquido iónico; factor E: concentración de ácido acético; factores F – K; variables fantasma. La línea vertical que cruza el diagrama en 3,28 indica el límite de
significación de las variables respecto a la respuesta.