Aplicación de las técnicas de simulación molecular en procesos de adsorción con resinas quelantes

Abstract

RESUMEN: La química computacional se define como la ciencia que involucra el uso de modelos matemáticos para la predicción de propiedades químicas y físicas de compuestos empleando ordenadores, es decir, es una ciencia orientada al diseño de moléculas a través de software. El desarrollo de esta técnica cambia por completo la idea fundamental de la forma de obtener avances; no es necesario experimentar para obtener resultados. Hoy en día la predicción teórica de propiedades químicas llega a rivalizar con su obtención por vía experimental de cara al diseño de procesos industriales. La industria es uno de los indicadores de progreso en cualquier país, supone la activación económica y el desarrollo social, sin embargo, en el ámbito medioambiental quedan muchas acciones por realizar. En los últimos años, el consumo de materias primas, más concretamente metales, ha alcanzado un nivel comprometedor para el planeta, por tanto, es necesario reducir ese ritmo de consumo, siendo necesaria una transición hacia un modelo económico que reduzca la presión sobre la explotación de materias primas en la tierra, sin perder el equilibrio con lo social y lo económico. En este sentido surge el concepto de Economía Circular (EC) gracias al cambio de pensamiento científico y social, y a la necesidad de desarrollar estrategias que permitan hacer posible la sostenibilidad de los procesos industriales a largo plazo. La valorización de ácidos agotados que contienen iones metálicos como el níquel, hierro y cobre en forma de sulfato en medio ácido es el proceso base de este Trabajo Fin de Máster. El objetivo del proceso se centra básicamente en reducir el contenido de los metales presentes en las tortas de filtración, antes de su disposición en vertedero, especialmente el níquel, para evitar con ello su depósito en vertedero de residuos peligrosos, y en valorizar los metales de alto valor añadido níquel y el cobre como fuente de materias primas secundarias, todo ello en consonancia con el concepto de EC. En los grupos de investigación Ingeniería de Procesos Sostenibles (IPS) y Procesos Avanzados de Separación (PAS) del departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la Universidad de Cantabria se ha estudiado ampliamente una metodología eficaz basada en la aplicación de la tecnología de adsorción y posterior recuperación selectiva de los iones metálicos níquel y cobre, procedentes del residuo ácido industrial, mediante el uso de resinas quelantes bispicolilamina caracterizadas por tener tres nitrógenos con pares de electrones libres (dos piridínicos y uno alifático). Partiendo del conocimiento previo adquirido en el campo de la química computacional, en este TFM mediante el software Gaussian/GaussianView se ha comprobado que la resina bispicolilamina empleando el solvente agua energéticamente (ΔG) puede unirse al cobre empleando los tres nitrógenos (complejo I) o un nitrógeno piridínico y el nitrógeno alifático (complejo II), mientras que en el caso del níquel no es posible su formación. Cuando se emplea el solvente agua y ácido sulfúrico, para simular medios ácidos, el complejo I bispicolilamina+cobre+ácido es el energéticamente más favorable, mientras que en el caso del sistema bispicolilamina+níquel+ácido, con un nivel energético menor, puede formar ambos complejos. Finalmente, los mecanismos de reacción permiten determinar la ruta de formación del complejo I bispicolilamina+cobre en solvente agua a través de la formación de dos estados de transición y un estado intermedio. Estos resultados validan los encontrados en la literatura y los más importante, los obtenidos experimentalmente en el marco de la línea de investigación de los grupos IPS y PAS del departamento de Ingenierías Química y Biomolecular.

ABSTRACT: Computational chemistry is defined as the science that involves the use of mathematical models for predicting chemical and physical properties of compounds using computers, aiming at the design of molecules through software. The development of this technique completely changes the fundamental idea of how to make progress since experimental work is not needed anymore to get results. Today the theoretical prediction of chemical properties comes to rival its experimental obtaining in order to design industrial processes. Industry is one of the indicators of progress in any country since it implies economic activation and social development; however, many actions remain in the environmental field. Last years, consumption of raw materials, more specifically metals, has reached a compromising level for the planet, therefore it is necessary to reduce this rate of consumption, and a transition to an economic model that reduces the pressure on the exploitation of raw materials on earth is necessary, without losing its balance with the social and the economic. In this sense, the concept of Circular Economy (EC) arises thanks to the change of scientific and social thinking, and the need to develop strategies to enable the sustainability of industrial processes in the long term. The recovery of depleted acids containing metal ions such as nickel, iron and copper in the form of sulfate in acid medium is the case study selected in this Master Thesis. The objective of the treatment process is to reduce the content of metals present in filtration cakes, prior to their disposal in landfill, especially nickel, in order to avoid landfilling hazardous waste, and to value high value-added metals nickel and copper as a source of secondary raw materials, all in line with the concept of EC. In the research groups Engineering of Sustainable Processes (IPS) and Advanced Separation Processes (PAS) of the Department of Chemical and Biomolecular Engineering of the University of Cantabria, an effective methodology based on the application of adsorption technology has been developed to treat spent acids allowing the simultaneous recovery of nickel and copper. In particular, chelating resins functionalized with bispicolilamine groups containing three nitrogen atoms with pairs of free electrons (two pyridinic and one aliphatic) were selected. Based on previous knowledge acquired in the field of computational chemistry, the results of this TFM obtained with Gaussian/GaussianView software allow to conclude that bispicolilamine resin using water solvent energy (ΔG) can bind to copper through either three nitrogen atoms(complex I) or through one pyridinic nitrogen atom and one aliphatic nitrogen atom (complex II), while in the case of nickel, chelation is not taking place. When using water solvent and sulfuric acid, to simulate acidic media, the I bispicolylamine+copper+acid complex is the most energy-feasible, while in the case of the bispicolilamine+nickel+acid system, with a lower energy level both complexes can be form. Finally, the reaction mechanisms allow to determine the route of formation of the complex I bispicolilamine+copper in water through the formation of two transition states and an intermediate state. These results validate those found in the literature and the most important, those obtained experimentally within the framework of the research line of the IPS and PAS groups of the Department of Chemical and Biomolecular Engineering.