Ensayos de extracción: Optimización de las condiciones experimentales

7.3.2.2.1. Objetivo

El objetivo de estos ensayos es evaluar y optimizar la extracción del contenido de Hg asociado a materia húmica y fúlvica con los dos agentes extractantes mencionados anteriormente y que son empleados habitualmente con este objeto. Por un lado, se emplea una disolución 0,1 M de Na4P2O7 a pH 10 y por otro una de NaOH 0,5 M a pH

13. Dado que estos dos agentes han sido utilizados ampliamente en numerosos estudios [1, 10, 40-45, 47-49], no se ha considerado necesario modificar las concentraciones de partida. La idoneidad y especificidad del Na4P2O7 0,1 M para disolver selectivamente la

materia orgánica presente en suelos y sedimentos y sus metales asociados está ampliamente demostrada en la bibliografía. Se realiza una comparación de los resultados obtenidos con aquellos obtenidos con NaOH 0,5 M, a fin de seleccionar el más adecuado para su empleo en el método de extracción secuencial. Todos los ensayos

Capítulo 7: DESARROLLO DE UN MÉTODO DE EXTRACCIÓN SECUENCIAL PROPIO

se realizan en idénticas condiciones para los dos agentes extractantes. Al igual que en otros estudios similares, se optimizan las condiciones experimentales que afectan a la extracción en cuanto a número de extracciones, proporción volumen agente extractante/peso de muestra y tiempo de extracción.

7.3.2.2.2. Optimización de las condiciones experimentales

Procedimiento general

Todos los ensayos experimentales se realizan a temperatura ambiente y por triplicado. Las muestras se pesan en tubos de centrífuga (0,5 g). Se adicionan las disoluciones previamente preparadas, agitándose durante 1 minuto en vórtex para poner en contacto ambas fases sólida y líquida. La extracción se realiza mediante agitación rotatoria continua a 35 rpm. Las muestras, una vez agitadas, se centrifugan a 4800 rpm durante 15 minutos. A continuación, se separan los sobrenadantes empleando una pipeta “Pasteur”. Los extractos se filtran a través de filtros de celulosa de 0,45 μm. Se diluyen con agua ultrapura hasta alcanzar casi el volumen de aforado (50 mL) y se procede a la acidificación de las muestras, necesaria para su determinación cuantitativa. Para ello, se añade gota a gota una disolución de HCl 6 M hasta alcanzar un pH 2-4, el cual se comprueba con papel indicador. Finalmente las muestras se aforan con agua ultrapura hasta un volumen de 50 mL y se analizan en el equipo DMA-80 mediante el método de determinación de Hg en muestras líquidas (ver capítulo descripción de métodos apartado 4.1.2.3).

En un principio, se aplica una etapa de lavado de los residuos por adición de 5 mL de agua ultrapura, tratamiento con ultrasonidos a temperatura ambiente durante 15 minutos, centrifugación, extracción de los sobrenadantes y combinación de los mismos con los extractos anteriores. Sin embargo, la extracción de los sobrenadantes supone muchas dificultades para la mayoría de las muestras, debido a la posible precipitación de hidróxidos muy finos y pulverulentos y difíciles de separar de la fase líquida. Con el fin de mejorar la operatividad de la extracción, se realizan experiencias prescindiendo de la etapa de lavado y comparando los resultados con aquellos obtenidos combinando el lavado con los extractos. Los resultados obtenidos son similares en ambos casos, por lo que se decide prescindir de esta etapa a fin de simplificar y facilitar el procedimiento.

Tiempo de extracción

Para estudiar el efecto del tiempo de contacto sobre la extracción de Hg asociado a materia orgánica con ambos agentes extractantes, se realizan ensayos con tiempos de contacto de 1, 2, 4, 10, 18 y 24 horas. Los resultados para ambos tipos de extracción se muestran en la figura 7.3. En estos puede observarse como ambas extracciones presentan un comportamiento diferente. En el caso de la extracción con Na4P2O7 0,1 M

el contenido de Hg extraído es aproximadamente constante para tiempos de contacto inferiores a 4 horas. Sin embargo, al aumentar el tiempo también lo hace la concentración de Hg extraída hasta que ésta se estabiliza para un tiempo de 18 horas. A partir de ahí el aumento que tiene lugar es despreciable. Por su parte, en el caso de la extracción con NaOH 0,5 M, el contenido de Hg extraído aumenta fuertemente con el tiempo al principio, mientras que para tiempos superiores a 8 horas aumenta muy levemente. 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Tiempo (h) Na₄P₂O₇0,1M NaOH 0,5 M Hg (μ gg -1) 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Tiempo (h) Na₄P₂O₇0,1M NaOH 0,5 M Hg (μ gg -1)

Figura 7.3. Influencia del tiempo de contacto en la extracción con Na4P2O7 0,1 M y

NaOH 0,5 M.

Estos resultados demuestran una fuerte dependencia de ambos tipos de extracción con el tiempo y contrastan con las conclusiones de otros estudios realizados por diversos autores. Hall y Pelchat [27] estudiaron la influencia del tiempo en ambas disoluciones extractantes empleando como sustrato un material de referencia de un sedimento de lago, encontrando que en el caso de la extracción con Na4P2O7 0,1 M, la recuperación de Hg

no varía significativamente para tiempos de contacto entre 1 y 4 horas, al igual que ocurre en el presente estudio, estableciéndose que es suficiente un tiempo de agitación

Capítulo 7: DESARROLLO DE UN MÉTODO DE EXTRACCIÓN SECUENCIAL PROPIO

de 1 hora para extraer el contenido de Hg asociado a materia húmica y fúlvica. Sin embargo, no se ensayaron tiempos superiores. En el caso de la extracción con disolución NaOH 0,5 M observaron una disminución del contenido de Hg en un principio, atribuyendo ésta a la posible readsorción de las especies extraídas, mientras que para tiempos superiores a 4 horas el contenido en Hg recuperado aumentaba linealmente con el tiempo.

En el presente estudio se demuestra que, para el caso de la extracción con Na4P2O7 0,1

M, un tiempo de contacto de 1 hora es insuficiente para una extracción apropiada de la fracción de Hg asociado a materia orgánica, estableciéndose un tiempo óptimo de 18 horas para lograr este fin. En el caso de emplear una disolución NaOH 0,5M es suficiente con un tiempo de 10-14 horas para lograr una recuperación de Hg aproximadamente constante.

Proporción disolución extractante/muestra sólida

Se llevan a cabo diferentes experiencias para evaluar la influencia de la proporción entre el volumen de disolución extractante y el peso de muestra sólida. Dado que el peso de muestra se había fijado en la etapa anterior en 0,5 g, la proporción se modifica cambiando el volumen de disolución extractante. De esta manera, se ensayan volúmenes de 10, 20, 30 y 40 mL de ambas disoluciones, comparando los resultados obtenidos (figura 7.4). 0 5 10 15 20 25 30 10 20 30 40 Volumen disolución (mL) Hg (μ gg -1) Na₄P₂O₇0,1M NaOH 0,5 M 0 5 10 15 20 25 30 10 20 30 40 Volumen disolución (mL) Hg (μ gg -1) Na₄P₂O₇0,1M NaOH 0,5 M Na₄P₂O₇0,1M NaOH 0,5 M

Figura 7.4. Influencia de la proporción volumen disolución / muestra sólida en la extracción con Na4P2O7 0,1 M y NaOH 0,5 M.

Como puede observarse, en el caso de la extracción con Na4P2O7 0,1 M, la proporción

entre el volumen de agente extractante y el peso de muestra sólida no tiene una influencia significativa sobre el contenido de Hg recuperado. Sin embargo, en el caso del empleo de una disolución NaOH 0,5 M, se observa un aumento constante del contenido de Hg recuperado al aumentar esta proporción. Este comportamiento de ambos agentes extractantes es coherente con aquel observado por Hall y Pelchat [27] en sus ensayos de extracción.

Número de extracciones

Algunos autores señalan que para muestras con un elevado contenido de materia orgánica es conveniente realizar una segunda extracción en las mismas condiciones [24]. En el presente estudio, se evalúa la conveniencia o no de realizar esta etapa adicional en la extracción de Hg asociado a materia orgánica con ambos agentes extractantes. Para ello, empleando un volumen de 10 mL de disolución extractante, se comparan las recuperaciones de Hg obtenidas en una única extracción de la muestra preparada artificialmente con aquellas obtenidas de la aplicación sucesiva de dos etapas de extracción similares. Los resultados de esta comparación se resumen en la tabla 7.7, demostrando que, en el caso de la extracción con Na4P2O7 0,1 M, a pesar de la elevada

concentración de materia orgánica en la matriz, la aplicación de una nueva etapa de extracción no da lugar a un aumento significativo de la cantidad de Hg extraída en ninguna de ambas etapas de extracción. Por tanto, los resultados sugieren que, en las condiciones experimentales optimizadas, la realización de una segunda etapa de extracción no resulta necesaria en el caso de la extracción con pirofosfato. Sin embargo, en el caso del empleo de una disolución de NaOH 0,5 M, una segunda extracción deriva en un aumento notable del contenido de Hg recuperado (29,4%).

Tabla 7.7. Comparación de los resultados obtenidos al aplicar una o dos extracciones a la muestra artificial. Los resultados representan el valor medio ± desviación típica (n=3).

Extracción Una sola extracción (μg g-1) Dos extracciones (μg g-1)

Na4P2O7 0,1 M 14,1 ± 1,2 14,7 ± 1,8

NaOH 0,5 M 22,3 ± 2,6 29,4 ± 3,1

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7.3.3. Discusión

De acuerdo con los ensayos de optimización, las condiciones experimentales óptimas para ambas extracciones son: 10 mL de Na4P2O7 0,1 M ó NaOH 0,5 M, en una sola

extracción durante un tiempo comprendido entre 16 y 20 horas.

Los resultados de los ensayos de extracción demuestran que, empleando una disolución NaOH 0,5 M el contenido de Hg extraído es invariablemente más alto que con el empleo de Na4P2O7 0,1 M. Este comportamiento es coherente con aquel observado por

otros autores [27, 50] y demuestra que si el Na4P2O7 0,1 M es capaz de extraer el Hg

asociado a materia húmica y fúlvica con una especificidad adecuada, entonces el NaOH 0,5 M debe estar extrayendo más de una fase. Además, en contraste con la extracción con Na4P2O7 0,1 M, la extracción con NaOH 0,5 M está fuertemente afectada por la

proporción entre el volumen de disolución extractante / peso de muestra sólida, por el número de extracciones y, en menor medida, también por el tiempo de contacto. Sin embargo, según diversos estudios recientes realizados en suelos, los resultados obtenidos con ambos reactivos son globalmente similares [10]. Con el fin de evaluar la posible influencia de la matriz sobre la extracción de la fracción húmica y fúlvica con ambos reactivos se desarrolla una experiencia de extracción sobre una muestra de suelo real. La muestra que se utiliza es la denominada P9, empleada en los estudios de extracción descritos en el capítulo anterior. Esta muestra procede de un área minera y presenta una naturaleza muy diferente a la de la matriz utilizada en los ensayos de optimización de la presente etapa extracción, a la vez que resulta ser más próxima a las muestras empleadas en los citados estudios [10].

Los resultados de la aplicación de ambas extracciones sobre la muestra P9 se muestran en la tabla 7.8. En ella, puede observarse como el contenido de Hg extraído por ambos agentes es comparable, conforme proponían los estudios anteriores.

Tabla 7.8. Influencia de la aplicación dos agentes extractantes en la extracción de la fracción de Hg asociado a materia húmica y fúlvica a la muestra P9 de Almadén. Los resultados representan

el valor medio ± desviación típica (n=3)

Extracción Hg (μg g-1) Hg (%)

Na4P2O7 0,1 M 2,2 ± 0,1 3,6 ± 0,2

NaOH 0,5 M 3,6 ± 0,3 5,8 ± 0,4

De esta forma, es posible suponer, tal y como sugieren algunos estudios [27, 54], que puede ocurrir que ambos reactivos extraigan diferentes grupos de sustancias orgánicas y los resultados sólo sean comparables en determinadas circunstancias.

Basándonos en los resultados de los ensayos de extracción y dada su mayor estabilidad, robustez y versatilidad, en el desarrollo del método de extracción secuencial propio se elige finalmente el Na4P2O7 0,1 M como agente extractante del contenido de Hg

asociado a materia húmica y fúlvica.

Las condiciones experimentales optimizadas para la obtención de la fracción de Hg asociado a ácidos húmicos y fúlvicos son las siguientes: una extracción con 10 mL de disolución Na4P2O7 0,1 M (pH 10) durante 18 horas en agitación rotatoria

continua a temperatura ambiente.

Dado que esta etapa forma parte de un procedimiento de extracción secuencial, se considera conveniente estudiar la posible influencia de la aplicación de la primera etapa sobre el contenido de Hg extraído en esta segunda etapa. Para ello, a la misma muestra artificial preparada para los ensayos de extracción, así como en la muestra P9, se les aplica la extracción con HNO3 0,2 N en las condiciones descritas en el apartado 3 del

punto anterior, seguido de la extracción Na4P2O7 0,1 M, comparando los resultados

obtenidos en esta segunda extracción con aquellos procedentes de la aplicación directa de la extracción con Na4P2O7 0,1 M en las condiciones optimizadas. Los resultados de

esta comparación se muestran en la tabla 7.9. En éstos puede observarse como la aplicación previa de la extracción con HNO3 0,2 N no conlleva una diferencia

significativa respecto a los resultados obtenidos al aplicar directamente la extracción correspondiente al Hg asociado a la materia húmica y fúlvica y, por tanto, demuestran la

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compatibilidad de ambas extracciones al no producirse interferencias significativas entre ellas.

Tabla 7.9. Influencia de la aplicación directa y secuencial de la extracción con Na4P2O7 0,1 M.

Los resultados representan el valor medio ± desviación típica (n=3).

Muestra Extracción directa (Hg μg g-1) Extracción secuencial (Hg μg g-1)

Artificial 10,8 ± 0,1 10,2 ± 0,1

P9 1,9 ± 0,2 2,2 ± 0,1

7.4. TERCERA ETAPA: ÓXIDOS E HIDRÓXIDOS AMORFOS DE