Estudio de Adsorción para Cr (VI) utilizando chacay (ulex europaeus) como carbón activo cubierto con quitosan (página 2)

Abreviaturas:

• CAC: Carbón Activo Comercial.

• CACH: Carbón Activo de Chacay.

• CACHQ: Carbón Activo de Chacay Cubierto con Quitosan.

• RIL: Residuo industrial líquido.

Introducción

• Antecedentes

El impacto sobre el Medio Ambiente es una preocupación que debe tener toda persona ya que cada una aporta algo de degradación al medio mientras interactúa con él, además con el crecimiento exponencial que ha tenido el censo poblacional, más personas generan una mayor utilización de recursos y generación de residuos.

La remoción de metales pesados de aguas residuales plantea un problema de difícil solución debido a que no son biodegradables y usualmente presentan una elevada toxicidad para los organismos acuáticos de los cuerpos receptores. El cromo es un contaminante ampliamente difundido en el ambiente proveniente de industrias metalúrgicas, cromados, curtiembres y químicas. Este metal puede acumularse en la flora y fauna e ingresar a la cadena alimentaria humana originando diferentes trastornos y enfermedades. Los estados de oxidación del cromo más comúnmente encontrados en la naturaleza son Cr (III) y Cr (VI) principalmente bajo la forma de los aniones cromato, cromato ácido o dicromato. Cada uno de ellos tiene propiedades químicas y biológicas diferentes. "El Cr (VI) es muy soluble y tóxico debido principalmente a sus propiedades oxidantes y penetra rápidamente a las células provocando alteraciones potencialmente cancerígenas en el ADN. Se ha encontrado que el Cr (VI) presenta una alta mutagenicidad en ensayos in-vitro empleando bacterias, levaduras y células humanas" (EPA 1998a). Por su parte, el Cr (III) es un oligoelemento relacionado con el factor de tolerancia a la glucosa (GTF) el cual es un complejo Cr (III)-ácido nicotínico; la FDA recomienda una ingesta diaria de Cr (III) de 120 µg/d. "En general se sabe que el Cr (III) es mucho menos tóxico que el Cr (VI); sin embargo hay relativamente pocos estudios con relación a la toxicidad del Cr (III) exclusivamente, muchos de los cuales son estudios epidemiológicos" (EPA 1998b).

Con el desarrollo de la industrialización ha aumentado la utilización de recursos con lo cual se han ido contaminando ecosistemas y degradando los recursos naturales; agua, aire y el suelo; por lo tanto es de gran importancia tratar de reducir los índices de contaminación generados por la actividad industrial. Por este motivo hoy existen diversas tecnologías, que hacen frente a este tipo de desechos tóxicos (mediante la remoción de los iones que contienen), entre las que destacan: la precipitación, ultrafiltración, nanofiltración, ósmosis inversa, electrodiálisis y electrólisis. Ciertos métodos pueden remover hasta el 99 % de la toxicidad de estos metales de baja concentración. Desafortunadamente, y a pesar de su eficacia, el alto costo de instalación y mantenimiento de estas tecnologías hace imposible su aplicación a las pequeñas y medianas empresas. En consecuencia, el sector productivo que trabaja con metales pesados sigue generando descargas acuosas de desecho altamente contaminantes.

La adsorción por carbón activado es un método ampliamente difundido para eliminar contaminantes orgánicos e inorgánicos presentes en aguas residuales industriales. "Los carbones activados son materiales que se caracterizan por una estructura altamente porosa de tipo pseudo-grafítica conformada por capas poliaromáticas dispuestas en forma irregular" (Toles y Col. 1999). Las características texturales y la química de la superficie de los carbones activados determinan su desempeño como adsorbentes. Asimismo, la eficiencia del proceso de remoción de contaminantes está influenciada por varios parámetros incluyendo las condiciones de operación del sistema y las características fisicoquímicas del agua residual, fundamentalmente el pH.

En este trabajo se estudiará la capacidad de adsorción tanto para CACHQ, como para CACH y CAC, utilizando para este efecto una solución acuosa de Cr (VI) a una concentración de 3,5 mg/l, simulando un RIL artificial sobrepasando 7 veces el máximo permitido por el D.S 609/98.

Los parámetros operacionales a considerar se verán limitados debido al tiempo que poseen los autores, y la escasa disponibilidad de equipos en el laboratorio de ciencias. Sin embargo se tomó como referencia tres factores operacionales de gran importancia: El pH, dosis del adsorbente y la velocidad de agitación.

• Objetivos

Objetivo general

• Determinar la capacidad de adsorción de Cromo (VI), utilizando como precursor al Chacay cubierto con quitosan.

Objetivos específicos

• Evaluar la capacidad de adsorción del Chacay con y sin quitosan, con el objeto de encontrar a que pH, dosis de adsorbente y velocidad de agitación hay mayor eficiencia de adsorción de cromo (VI).

• Comparar la eficiencia de adsorción de CACH y CACHQ, con carbón activo comercial (CAC).

• Estimar la cantidad de adsorbente (CACHQ) que puede ser recuperado, después de la retención del cromo hexavalente.

Marco teórico

2.1) Residuos industriales

El residuo industrial es todo aquel residuo sólido o líquido o combinaciones de éstos, derivados de procesos industriales y que por sus características físicas, químicas o microbiológicas no pueden asimilarse a los residuos sólidos domésticos.

Además de los residuos sólidos, existen también los residuos industriales líquidos (RILES). Este tipo de residuos presentan distintas características según el tipo de industria o la naturaleza de sus constituyentes.

La problemática por la contaminación de las aguas por residuos líquidos industriales, más conocidos como RILES, no fue tan grave sino hasta principios del siglo XX, cuando se produce un desarrollo tecnológico e industrial. La mayoría de las industrias utilizan de una u otra manera el agua, de forma que al terminar el proceso industrial el líquido usado ha sido degradado por adición de sustancias o de características físicas contaminantes y se convierte así en un desecho.

Ciertas industrias como las químicas, metalúrgicas y las papeleras, presentan sustancias tóxicas en sus vertidos que son difícilmente biodegradables y precisan de un tratamiento previo a su descarga. A continuación se describen los límites máximos permitidos para la descarga de RILES a los sistemas de alcantarillados según D.S 609/98.

• a) Las descargas de efluentes que se efectúen a redes de alcantarillado que no cuenten con plantas de tratamiento de aguas servidas deberán cumplir con los límites establecidos en la Tabla 1:

Tabla 1: Límites máximos permitidos para descargas de efluentes que se efectúen a redes de alcantarillado que no cuenten con plantas de tratamiento de aguas servidas. (Fuente DS 609/98 Tabla Nº3).

b) Las descargas de efluentes que se efectúan a redes de alcantarillado que cuenten con plantas de tratamiento de aguas servidas deberán cumplir con los límites máximos señalados en la Tabla Nº2:

Tabla 2: Límites máximos permitidos para descargas de efluentes que se efectúan a redes de alcantarillado que cuenten con plantas de tratamiento de aguas servidas. (Fuente DS 609/98 Tabla Nº4).

2.2) Metales traza

Los metales pesados son un grupo de elementos químicos que presentan una densidad relativamente alta y cierta toxicidad para el ser humano. Muchos de los metales que tienen una densidad alta no son especialmente tóxicos y algunos son elementos esenciales en el ser humano, independientemente de que a determinadas concentraciones puedan ser considerados como tóxicos.

La toxicidad de los metales traza es mayor al no ser química ni biológicamente degradables. Una vez emitidos, pueden permanecer en el ambiente durante cientos de años. Además, su concentración en los seres vivos aumenta a medida que son ingeridos por otros, por lo que la ingesta de plantas o animales contaminados puede provocar síntomas de intoxicación.

"Últimamente la comunidad e investigadores se han preocupado de averiguar sobre la consecuencia negativa de los metales traza en la situación del Ecosistema y la salud del ser humano. Pero a pesar de las abundantes pruebas de estos efectos nocivos para la salud, la exposición a los metales traza continúa y puede incrementarse por la falta de una política consensuada y concreta", (Eroski, 2006). Son muchos los metales traza que podemos encontrar en los RILES, pero el estudio se basara en un metal pesado, el Cromo en su estado hexavalente.

2.3) Cromo

Tabla 3: Descripción del elemento cromo

Aplicaciones

El cromo se utiliza como catalizador en la síntesis del amoníaco, en la fabricación de aceros al cromo y aceros inoxidables, en aleaciones con cromo y en el cromado galvánico. Los complejos orgánicos encuentran aplicación como colorantes de revelado en la fotografía color; los compuestos inorgánicos del cromo se utilizan como pigmentos para pinturas. Las sales de cromo (VI) se utilizan ampliamente para la  preservación de la madera y para el  curtido de cueros.

Funciones en el organismo

El cromo es importante para el metabolismo de las grasas y de los carbohidratos, y para estimular la síntesis de los ácidos grasos y del colesterol, los cuales son relevantes para las funciones cerebrales y otros procesos corporales. El cromo es un activador de varias enzimas, que se requieren para dirigir numerosas reacciones químicas necesarias en la vida. El cromo también es importante en el metabolismo de la insulina.

Procedencia / fabricación

El cromo se encuentra en la Naturaleza casi exclusivamente en forma de compuestos. El mineral de cromo más importante es la cromita (Figura 1) (cromoferrita,  pirita crómica). El cromo puro se obtiene por reducción del óxido de cromo (III) con aluminio (procedimiento aluminotérmico), mediante electrólisis o a través del ioduro crómico.

Figura 1: Cromita en estado natural

Toxicidad

Tabla 4: Niveles de toxicidad del cromo en distintas especies. (Fuente .Pág. www.cd3wd.com/vol 320. htm)

Exposición al cromo

Se puede estar expuesto al cromo al respirar aire, tomar agua o comer alimentos que contienen cromo o a través del contacto de la piel con cromo o compuestos de cromo. El nivel de cromo en el aire y en el agua es generalmente bajo. La concentración total de cromo en el aire (cromo (III) más cromo (VI) varía generalmente entre 0.01 y 0.03 microgramos por metro cúbico de aire (&µg/m³). Las concentraciones de cromo en el agua potable (principalmente como cromo (III) son generalmente muy bajas, menos de 2 partes de cromo en un billón de partes de agua (2 ppb). El agua de pozo contaminada puede contener cromo (VI). Para la población general, la ruta más probable de exposición al cromo (III) es el consumo de alimentos contaminados. El cromo (III) se encuentra naturalmente en muchas verduras frescas, frutas, carne, levadura y cereales. Varios métodos de procesamiento, almacenaje y preparación pueden alterar la cantidad de cromo en los alimentos. Los alimentos ácidos en contacto con latas o utensilios de cocina de acero inoxidable pueden contener niveles de cromo más altos debido al escape de cromo desde el acero inoxidable. Los procesos de refinación usados para hacer pan blanco o azúcar pueden disminuir los niveles de cromo. El cromo (III) es un elemento nutritivo esencial para los seres humanos.

Las personas que trabajan en industrias que procesan o usan cromo o compuestos de cromo pueden estar expuestas a niveles de cromo más altos que lo normal.

La exposición ocupacional al cromo (la forma importante se indica en paréntesis) puede ocurrir en las siguientes industrias:

• Soldadura de acero inoxidable (cromo VI).

• Manufactura de cromato (cromo VI).

• Cromado de metales (cromo VI).

• Industria de ferrocromo (cromo III y cromo VI).

• Pigmentos de cromo (cromo III y cromo VI).

• Curtido de cuero (principalmente cromo III).

Los siguientes son algunos ejemplos de otras ocupaciones en las que puede ocurrir exposición al cromo:

• Pintores (cromo III y cromo VI)

• Trabajadores que mantienen o reparan copiadoras y que desechan polvos de toner. de copiadoras (cromo VI)

• Fabricantes de baterías (cromo VI).

• Fabricantes de velas (cromo III y cromo VI).

• Impresores (cromo III y cromo VI).

• Fabricantes de caucho (cromo III y cromo VI).

• Trabajadores en la industria del cemento (cromo III y cromo VI).

Se puede estar expuesto a niveles de cromo más altos que lo normal si se vive cerca de:

• Vertederos con desechos que contienen cromo.

• Plantas industriales que manufacturan o usan cromo y compuestos que contienen cromo.

• Plantas que producen cemento, porque el cemento contiene cromo.

• Torres industriales de refrigeración que en el pasado usaron cromo como inhibidor de corrosión.

• Corrientes de agua que reciben descargas de industrias de galvanoplastia, curtido de cuero y textiles.

• Carreteras con mucho tráfico, porque las emisiones del revestimiento de los frenos de automóviles y de los convertidores catalíticos contienen cromo.

Además, usted puede estar expuesto a niveles de cromo más altos de lo normal si usa productos de tabaco, porque el tabaco contiene cromo.

Circulación del cromo a través del cuerpo

En general, el cromo (VI) es absorbido por el cuerpo más fácilmente que el cromo (III), pero una vez en el cuerpo, el cromo (VI) es transformado a cromo (III). Cuando usted respira aire que contiene cromo, las partículas de cromo pueden depositarse en los pulmones. Las partículas que se depositan en la parte superior de los pulmones pueden ser expulsadas hacia la garganta por la tos y luego ser tragadas. Las partículas que se depositan en áreas profundas del pulmón probablemente permanecerán en ese lugar un tiempo suficiente que les permitirá pasar a través del pulmón a la corriente sanguínea. Una vez en la corriente sanguínea, el cromo es distribuido a través de todo el cuerpo. El cromo pasa a través de los riñones y es eliminado en la orina en unos pocos días. Todo el mundo consume diariamente pequeñas cantidades de cromo. La mayor parte del cromo que usted traga abandona su cuerpo en las heces en pocos días sin haber pasado a la sangre. Una pequeña cantidad (aproximadamente 0.4 -2.1%) entra a la corriente sanguínea a través de los intestinos. Si su piel entra en contacto con el cromo, muy poca cantidad entrará a su cuerpo a menos que tenga raspaduras u otras lastimaduras en su piel.

Efectos adversos del cromo hexavalente

Agua

En los sistemas acuáticos, la toxicidad de los compuestos solubles del cromo varía según la temperatura, pH y dureza del agua, y según las especies de organismos que los pueblan. En cuanto al comportamiento del cromo, se puede afirmar que los compuestos del cromo (III) tienen gran estabilidad, contrariamente a lo que ocurre con los compuestos del cromo (VI).

Plantas

Se conocen, entre otras, lesiones en el sistema radicular, originadas principalmente por el cromo (VI). Los efectos tóxicos que el cromo ejerce sobre las plantas han sido descritos, fundamentalmente, en base a ensayos vasculares.

No sólo las distintas especies sino también las distintas partes internas de las plantas difieren considerablemente en el modo de asimilar el cromo y en el tipo de lesiones que acusan. En la avena pudo comprobarse que las raíces no se desarrollaban y que las hojas se mantenían angostas, tomando una coloración pardo-rojiza con aparición de pequeñas manchas necróticas.

Seres humanos

Debido a su insolubilidad, el cromo metálico no es tóxico en el agua. Los diversos compuestos del cromo hexavalente representan la mayor amenaza, especialmente debido a sus efectos genéticos. Los compuestos del cromo (VI) actúan en casi todos los sistemas de ensayo diseñados para determinar sus efectos mutagénicos. El hecho comprobado de que atraviesa la placenta significa un alto riesgo para los embriones y fetos. El efecto carcinógeno de los compuestos del cromo (VI) no sólo ha sido demostrado experimentalmente con animales, sino también ha sido confirmado por los resultados de estudios epidemiológicos realizados con grupos humanos expuestos a esta sustancia en su lugar de trabajo. Se considera que el período de latencia correspondiente oscila entre 10 y 27 años. Contrariamente a lo que ocurre con los compuestos del cromo (VI).

Las intoxicaciones crónicas pueden producir mutaciones en el tracto gastrointestinal así como acumulaciones en el hígado, en el riñón, en la glándula tiroidea y en la médula ósea. El índice de eliminación es lento.

2.4) Adsorción

Definiciones generales

La adsorción es la remoción, por adherencia, de las impurezas (líquidos, gases, materia suspendida, coloides, moléculas, átomos e iones disueltos) de la sustancia en la superficie (que incluye los poros o superficie interna) del adsorbente (interface entre las dos fases). Este proceso es sumamente necesario e imprescindible para una planta purificadora de agua. Se puede representar con la siguiente reacción química:

A + B = A* B

Donde A es el adsorbato o sustancia adsorbida, B es el adsorbente y A*B es el compuesto formado con la adsorción.

La adherencia es gobernada por una atracción electro-química y no por un proceso mecánico. Aun así, se le considera como un tipo de filtración muy fina. Las fuerzas moleculares en la superficie del adsorbente están en un estado de insaturación. Según la naturaleza del enlace de adsorción, ésta puede ser física, en la cual las moléculas están unidas a la superficie por fuerzas físicas o de dispersión, o química, en la que las fuerzas de adsorción son de naturaleza química, y por lo tanto conocida como quimisorción.

Tipos de adsorbentes e influencia de parámetros en el proceso de adsorción

Para el tratamiento de agua se usan diversos adsorbentes como:

• Carbón activado

• Resinas adsorbentes de intercambio iónico

• Óxidos metálicos

• Hidróxidos

• Carbonatos

• Alúmina activada

• Arenas

Influencia del pH en la adsorción

"El valor del pH de la fase acuosa es el factor más importante tanto en la adsorción de cationes como de aniones, siendo el efecto distinto en ambos casos. Así, mientras que la adsorción de cationes suele estar favorecida para valores de pH superiores a 4,5" (Schiewer y Volesky (1995) y Kratochvil D. et. al (1998)), "la adsorción de aniones prefiere un valor bajo de pH, entre 1,5 y 4" (Giles y Hassan (1958); Giles y col. (1958); Kuyucak y Volesky (1989a) y Roberts (1992)).

Existen tres vías de influencia del pH en la adsorción del metal (Schiewer, 1996):

1. El estado químico del sitio activo (aquel sitio de interacción entre el cation metálico y la superficie polar o cargada del adsorbente, en este caso los microporos del carbón) podría cambiar con el valor del pH. Cuando el grupo de unión del metal es débilmente ácido o básico, la disponibilidad del sitio libre depende del pH. El logaritmo de la constante de disociación del ácido conjugado (pKa) podría ser uno de los parámetros clave para la determinación del pH óptimo para ocupar los sitios activos.

• "Valores extremos de pH, como los empleados para la regeneración del carbón activo, podría dañar la estructura (carbón mas quitosan), creando pérdidas significativas de peso y el descenso en la capacidad de adsorción, son algunos de los efectos observados por diversos investigadores" (Kuyucak y Volesky (1989b)).

• "La especiación (formación de nuevas especies) del metal en solución depende del pH, ya que los metales en soluciones acuosas se encuentran como iones hidrolizados a pH bajos, especialmente aniones de metales de alta carga y pequeño tamaño" (Baes y Mesmer (1976); Morel (1983) y Morrison (1987)).

Obs.- el efecto del pH de la disolución ha sido identificado como la variable más importante en la adsorción de metales. Lamentablemente la información aun ha sido muy resumida, quedando numerosas interrogantes sobre la relación del catión metálico y la superficie activa del adsorbente y el rol del pH que condiciona la eficiente interacción entre el catión metálico y la superficie polar y/o cargada del adsorbente.

Influencia de la temperatura en la adsorción

Es bien conocido que "la temperatura es uno de los factores que más influyen en los procesos de adsorción" (Kuyucak y Volesky (1989a)).

Un aumento hasta 40ºC provoca sólo una pequeña mejora en la retención, mientras que a una temperatura de 60ºC o superior se produce un cambio en la textura del adsorbente y una pérdida en la capacidad de adsorción debido al deterioro del material.

El efecto de la temperatura sobre la adsorción depende del calor de adsorción (cambio de entalpía). "Generalmente, cuando la adsorción es de tipo físico, el calor de adsorción es negativo, lo que indica que la reacción es exotérmica y se favorece a bajas temperaturas. Por el contrario, cuando la adsorción es de tipo químico, el calor de adsorción es positivo, indicando que el proceso es endotérmico y se ve favorecido por altas temperaturas" (Glasstone S. et al (1941)).

Tiempo de equilibrio en la adsorción

Generalmente, la Adsorción del metal pesado ha sido evaluada mediante la utilización de isotermas que describen el equilibrio del proceso. "Los modelos de Langmuir (1918) y Freundlich (1926) han sido posiblemente los más utilizados para describir con éxito el equilibrio de Adsorción" (Tsezos y Volesky (1981); Prasetyo (1992) y Holan y Volesky (1994)). Aunque ambos modelos son empíricos, las constantes del modelo de Langmuir son más fácilmente interpretables. "Para la Adsorción de metales pesados, la retención aumenta inicialmente de una manera lineal con la concentración en el equilibrio; esta retención está limitada por el número de sitios activos y, por tanto, llega a alcanzarse una meseta, que no es mas que aquel tiempo a partir del cual el Adsorbente, por más que se mantenga en contacto con la solución, ya no produce más adsorción" (Volesky, 1990).

Efecto de la dosis de Adsorbente en la adsorción

La cantidad de adsorbente es el factor que va a limitar hasta cierto punto la concentración de metal que se adsorbe, es decir a mayor cantidad de adsorbente, obtendremos una mayor adsorción, pero lo ideal es llegar a una relación de equilibrio, entre la cantidad de adsorbente y la concentración de metal, para un óptimo resultado de adsorción

2.5) Isotermas de adsorción

La capacidad de adsorción está definida en base a las isotermas de adsorción en disolución. La isoterma de adsorción es la relación de dependencia, a una temperatura constante, de la cantidad de adsorbato (Cr VI) adsorbido por peso unitario de adsorbente (carbón activo), con respecto a la concentración del adsorbato en equilibrio. Las isotermas de adsorcion no se determinaron en este trabajo de seminario por no contar con la disponibilidad suficiente de equipos y tiempo.

2.6) Adsorción por Batch

Este tipo de adsorción fue la que utilizamos en nuestro trabajo ya que esta se suele usar para adsorber solutos de disoluciones líquidas, cuando las cantidades tratadas son pequeñas, como son las muestras utilizadas en laboratorio.

2.7) Carbón Activo

El carbón activado, juega un papel importante en muchas industrias. La mayoría de estos son producidos a partir de materiales con un alto contenido de carbón que se obtienen de la naturaleza, tales como la turba y la madera, mediante procesos térmicos. En general, los carbones activos se obtienen como un residuo sólido, después de eliminar los componentes volátiles del material utilizado. Generalmente la estructura de los materiales de partida es solo ligeramente porosa. "Una vez aplicado un procedimiento adecuado de activación, se obtiene un producto que se denomina carbón activado, lo que denota un material con una estructura de poros interna accesible y bien desarrollada" (Fernández A. et al, 2006).

El interés por este tipo de material se basa en algunas de sus propiedades: a) estabilidad térmica; b) resistencia al ataque ácido; c) carácter esencialmente hidrófobo (repelente al agua); d) estructura porosa. Por tal razón, en los últimos años ha aumentado considerablemente el número de investigaciones en lo que concierne a su síntesis, y a sus diversas aplicaciones, como en la adsorción de metales pesados y en la industria en general.

Estructura y propiedades del carbón activado

Desde el punto de vista estructural, el carbón activado se puede definir como un material carbonoso poroso preparado a partir de un precursor a base de carbón con gases, y en ocasiones con la adición de productos químicos (por ejemplo, ácido fosfórico, cloruro de cinc, hidróxido de potasio, etc.), durante y después de la carbonización, para aumentar la porosidad.

2.8) Producción de carbones activados

Materiales de partida 

Actualmente el carbón activado puede ser producido a partir de cualquier material rico en carbono, pero sus propiedades estarán muy influenciadas por la naturaleza de la materia prima con que es producido y por la calidad del proceso de activación. Entre las principales fuentes se destacan: los carbones minerales, el cascarón del coco y las maderas.

La selección de la materia, que se utilizará para la obtención del producto final, dependerá de un grupo de factores que deben ser tenidos en cuenta, como son:

• Disponibilidad y costo de la materia prima.

• Tecnología disponible.

• Demanda en el mercado de un determinado tipo de carbón activado.  

2.9)  Tipos de activación

El Carbón Activado puede ser obtenido por dos vías fundamentales:

a) Activación Física (gasificación parcial).

b) Activación Química (deshidratación con ácidos y bases)

Ambos procesos requieren del uso de energía y de temperaturas elevadas, siendo menores en el caso de la activación química (400 – 700°C).

Activación térmica ó física

El método de activación térmica se efectúa en dos etapas (Figura 2): en la primera de ellas, denominada carbonización o pirólisis, se obtiene el carbonizado por descomposición térmica de la materia prima. Este constituye un producto de estructura porosa poco desarrollada, que presenta propiedades adsortivas muy limitadas. En la segunda etapa, denominada activación, el carbón es sometido a la acción de gases que aceleran este proceso, tales como vapor de agua, dióxido de carbono, aire, etc. Este proceso se efectúa a temperaturas que varían desde 800 hasta 1000°C y como resultado del mismo se obtiene un producto de estructura porosa muy desarrollada, con elevadas propiedades de adsorción, que constituyen la base de su amplia y variada aplicación industrial.

Figura 2: Diferentes procesos que pueden tener lugar en la activación térmica

Activación química

Método de activación utilizado en la preparación del carbón activo de Chacay, este proceso se encuentra detallado en el punto (3.3). La activación química con H3PO4 prácticamente ha desplazado al ZnCl2 y los precursores usados en este tipo de activación son en su mayoría, como en el caso del ZnCl2, residuos forestales (madera, cáscara de coco, hueso de aceituna, etc.).

La proporción H3PO4 que se utilizó en el laboratorio y la más empleada suele ser 1:5 (aunque proporciones diferentes dan lugar a carbones con distintas propiedades), el rendimiento en carbón activado suele ser del 50%.  

2.10) Tipos de carbones activados

Los carbones activos pueden clasificarse atendiendo al tamaño de las partículas como:

Carbón activado en polvo (CAP). Los CAP presentan tamaños menores de 100 micrómetros (&µm), siendo los tamaños típicos entre 15 y 25 &µm.

Carbón activado granular (CAG). Los CAG presentan un tamaño medio de partícula entre 1 y 5 milímetros (mm). Los CAG pueden dividirse en dos categorías:

• 1. Carbón activado troceado (o sin forma) se obtienen por molienda, tamizado y clasificación de briquetas de carbón o de trozos más grandes.

• 2. Carbón activado conformado (o con una forma específica, cilindros, discos, etc.). pueden obtenerse por peletización o por extrusión de carbón en polvo mezclado con distintos tipos de aglomerantes.

Existen además otras formas de adsorbentes de carbón, como las fibras de carbón activadas, las telas y los fieltros de carbones activados, las estructuras monolíticas, las membranas de carbón, etc.

Figura 3: Formas adoptadas para el carbón activado.

Importancia de la textura porosa de los carbones activados

Los carbones activados, pueden presentar elevadas superficies específicas, del orden de 1000 m2/g e incluso llegar a los 3000 m2/g. Estos elevados valores se deben en gran medida a la porosidad que presentan los materiales carbonosos, siendo los microporos los que mayor contribución tienen en la superficie específica. En principio, cabría pensar que a mayor superficie específica mejores serán las características como adsorberte del carbón activado, puesto que también deberían tener un mayor número de centros para adsorber el adsorbato. Sin embargo, esto no siempre es cierto, ya que hemos de tener en cuenta el posible "efecto de tamiz molecular". Así, dependiendo del tamaño de las moléculas del adsorbato, puede suceder que éstas sean mayores que algunos de los poros y por tanto no toda la superficie sea accesible a dichas moléculas. Por otro lado también hay que tener en cuenta tanto la geometría del poro como la del adsorbato. Así, por ejemplo, determinadas moléculas pueden penetrar en poros con geometría del "tipo rendija" y no hacerlo en poros de dimensiones similares y geometría cilíndrica.

En numerosas ocasiones también se ha observado que determinados compuestos se adsorben muy bien dependiendo de la naturaleza del carbón activo y su forma, siendo menor en algunos, a pesar de poseer éstos  una textura porosa, una distribución de tamaños de poros y superficie específica,  muy similar.  Esto se debe al importante hecho de que: Una elevada superficie específica, con una buena distribución de tamaños de poros que la hagan fácilmente accesible al adsorbato, es una condición necesaria, pero no suficiente, para optimizar la preparación de un carbón activado. 

Importancia de la química superficial de los carbones activados

La superficie de los carbones, en particular los átomos de carbono, en los bordes de los enlaces de su estructura molecular, poseen impurezas (heteroátomos) que pueden encontrarse combinados en mayor o menor proporción al carbono, dando lugar a diferentes grupos superficiales. Por otro lado, los átomos de carbono en la cara de los bordes de su estructura molecular, poseen orbitales que contienen electrones más o menos deslocalizados. La presencia o ausencia de los grupos superficiales, así como el mayor o menor grado de deslocalización de los electrones afecta a las interacciones del carbón con otros elementos o compuestos.

Figura 4: Representación esquemática de los principales grupos superficiales que pueden encontrarse en un carbón.

Todos los carbones presentan en principio un carácter hidrófobo, no obstante podemos disminuir este carácter hidrófobo adicionando grupos superficiales polares. Esto puede conseguirse por oxidación con algún tipo de agente oxidante. Los grupos oxigenados dan lugar a centros primarios de adsorción de moléculas de agua que a su vez adsorberán nuevas moléculas por formación de puentes de hidrógeno. De esta forma se aumenta el carácter hidrófilo y la "mojabilidad" de los carbones. En el caso de la adsorción de compuestos inorgánicos en fase acuosa esto podría resultar beneficioso.

De hecho este efecto combinado de oxidación/adsorción de humedad de los carbones activos se conoce como efecto de envejecimiento (ageing effect) y es algo a evitar en la medida de lo posible, especialmente para las aplicaciones en fase gas.

Otra faceta importante de la química superficial de un carbón activado es su naturaleza anfótera, lo cual significa que en la superficie del carbón coexisten grupos superficiales de carácter ácido y grupos superficiales de carácter básico. El que un carbón sea globalmente ácido o básico dependerá tanto de la concentración de estos grupos como de la fuerza como ácido o base de los mismos. De forma intuitiva, se puede deducir que un carbón de tipo básico será preferible para la adsorción de compuestos ácidos que un carbón de tipo ácido y viceversa.

Por otro lado los grupos ácidos tienden a liberar protones, especialmente en los medios básicos, mientras que los grupos básicos tienden a captarlos cuando se encuentran en un medio ácido. De esta forma pueden aparecer cargas positivas o negativas en la superficie del carbón.  De forma genérica: si el pH del medio es mayor que el punto de carga cero del carbón (PCZ), (pH en el cual el número de cargas positivas es igual al de cargas negativas de forma tal que la carga neta sobre la superficie del carbón es cero), tendremos un predominio de las cargas positivas en la superficie del carbón; por el contrario, si pH < pHPCZ obtendremos una superficie cargada negativamente. Así pues las condiciones en las que un carbón tenga una carga neta negativa serán preferibles para adsorber cationes y aquellas en las que presente una carga neta positiva lo serán para adsorber aniones. Dado que el modificar el pH de los efluentes contaminantes no siempre resulta sencillo es preferible optimizar la química superficial del carbón activado teniendo en cuenta los criterios anteriores para que la adsorción sea máxima.

Figura 5: Esquema del carácter ácido de algunos grupos oxigenados (carboxilos, hidroxilos y lactonas)  y del carácter básico de los electrones deslocalizados del plano basal y de grupos oxigenados (tipo pirona, tipo quinona y tipo cromeno).

2.11) Materias primas

Chacay (Ulex europaeus)

Descripción

Esta especie fue introducida desde Europa para su uso con fines agrícolas y ganaderos como forrajera y cerco vivo; pero posteriormente se transformó en maleza, el espinillo (Ulex europaeus) es una leguminosa arbustiva nativa de Europa Occidental, pertenece a la familia Fabaceae. Debido a su gran capacidad reproductiva, prolongada latencia de la semilla, (puede mantenerse hasta 30 años) largo período vegetativo, rápido crecimiento, ausencia de enemigos naturales, y propiedades combustibles que favorecen la ocurrencia de incendios. "El Ulex europaeus se ha constituido en una de las plagas más severas de la agricultura y forestería de las Regiones VIII, IX y X de Chile, especialmente entre los paralelos 37° y 43° de latitud Sur" (Bisby, 1981).

Impactos

El más reconocido de los impactos de la invasión de plantas introducidas es el desplazamiento de la flora y la fauna nativas. La literatura muestra una amplia evidencia de cambios en la estructura y dinámica de las poblaciones de especies nativas y en la estructura y diversidad de las comunidades, cuyos efectos se extienden a la fauna que habita estas áreas.

Otro impacto importante de las invasiones corresponde a la hibridación (cruce entre dos especies) de especies nativas con sus parientes introducidos. Este proceso puede causar la creación de nuevos híbridos, la producción de híbridos infértiles o la contaminación del material genético de la especie nativa, todo lo cual amenaza a la especie nativa, incluso más cuando se trata de especies con problemas de conservación. En Chile, Ulex europaeus es altamente combustible, siendo susceptible a frecuentes incendios que favorecen su regeneración y la creación de matorrales puros de la especie.

Ciertas plantas invasoras fijadoras de nitrógeno amplían la disponibilidad de este nutriente, que en condiciones naturales resulta limitante del crecimiento, lo que desestabiliza la estructura de las comunidades vegetales. Similares impactos podrían esperarse en Chile, con especies de leguminosas introducidas para la recuperación de suelos erosionados. Sin embargo, no existen datos al respecto.

Chacay como carbón activo

La elección de un precursor es una tarea importante para fabricar carbones activos de alta calidad; donde su disponibilidad, precio y pureza son la base para su obtención. El Chacay cumple con estos requisitos, sin embargo su naturaleza química es una incógnita para adecuar cualquier proceso de activación idóneo. Se justifica el uso del Chacay esencialmente porque es considerado una plaga que no tiene un uso ni valor económico para la zona, y cuyas características como su rápido crecimiento, adaptación a suelos cuyo pH es entre 3,5-5,5. Fundamentan un candidato que en teoría, puede tener modificaciones superficiales significativas después de la activación.

En este estudio no se hará esfuerzo para definir las propiedades químicas y el grado modificación superficial en el carbón final, sólo se cuantificará la eficiencia de adsorción de cromo (VI) final que posee cada carbón activo, ya sea para CACHQ el eje central del estudio, como CACH activado químicamente con ácido fosfórico.

Figura 6: Mapa de distribución de Ulex europeaus, Décima Región (Fuente CONAF).

2.12) Quitina y Quitosan

Descripción

Entre los materiales naturales más usados en la actualidad se encuentran una pareja de polisacáridos que ha tomado mucho auge por la infinidad de aplicaciones que ha logrado encontrar, y, especialmente, por su poco impacto ambiental, lo constituye la quitina y el quitosan. Ambos biopolímeros están químicamente emparentados; la quitina, por su parte, es una poli (ãY-N-acetil- glucosamina) (Figura 7), la cual, mediante una reacción de desacetilación que elimine al menos un 50 % de sus grupos acetilo, se convierte en quitosan poli (ãY-N-acetil-glucosamina-co-ãY glucosamina)). Cuando el grado de desacetilación alcanza el 100 % el polímero se conoce como quitano. Estos dos biopolímeros poseen la ventaja de ser conocidos por la naturaleza desde hace millones de años.

Figura 7: Molécula de quitina y quitosan

Fuentes de quitosano

Figura 8: Esquema simplificado para la obtención de quitina y quitosano a partir de conchas de crustáceos.

El quitosano se puede encontrar de forma natural en las paredes celulares de algunas plantas y hongos (por ejemplo en el Mucor rouxii llega a representar hasta un tercio de su peso). Sin embargo, la fuente más importante a nivel industrial, lo constituye la quitina la cual se encuentra principalmente en el exoesqueleto (caparazón) de muchos crustáceos, alas de insectos (escarabajos, cucarachas), paredes celulares de hongos, algas, etc. Sin embargo, la producción industrial de este biomaterial prácticamente se basa en el tratamiento de las conchas de diversos tipos de crustáceos (camarones, langostas, cangrejos y krill) debido a la facilidad de encontrar estos materiales como desecho de las plantas procesadoras de estas especies a la cual, mediante un proceso de desacetilación química o enzimática, es transformada a quitosano.