Estudio de Adsorción para Cr (VI) utilizando chacay (ulex europaeus) como carbón activo cubierto con quitosan (página 3)

Desde el punto de vista químico, el proceso para obtener el quitosano es relativamente sencillo, como puede observarse en el diagrama simplificado de la figura 8, aunque el tratamiento con álcali concentrado a temperaturas relativamente altas implica riesgos importantes para los operadores de las plantas de producción y hostilidad hacia el ambiente.

Principales aplicaciones del quitosano

El quitosano es ampliamente utilizado para los mas diversos usos por ser un biomaterial que no genera contaminación para el medio ambiente, en la figura 9 se pueden observar los cinco tipos de aplicaciones mas utilizadas en nuestro país, aunque se explicara en mas profundidad el tema que nos compete que es su uso en el tratamiento de aguas (eliminación de metales pesados).

Figura 9: Principales aplicaciones de este biomaterial en las áreas más relacionadas con nuestro país.

Aplicaciones para el Tratamiento de aguas

Es una de las áreas más importantes debido a que el quitosano y la quitina son sustancias "ambientalmente amigables". Entre los principales usos que se hacen en la actualidad de estos biomateriales, y algunos de sus derivados, en este campo tenemos:

• Coagulante primario para aguas residuales de alta turbidez y alta alcalinidad.

• Floculante para la remoción de partícula coloidales sólidas y aceites de pescado.

• Captura de metales pesados y pesticidas en soluciones acuosas. Algunos copolímeros de injerto del quitosano muestran alta efectividad para remover metales pesados, especialmente los derivados de ácidos alquenodióicos.

Carbón activo de Chacay cubierto con Quitosan

Un estudio publicado por el diario tecnológico de biotecnología, (Saifuddin M. Nomanbhay, 2005), sobre adsorción de cromo (VI) utiliza la cáscara de coco revestido con quitosan. El cual demuestra que para el retiro del ión cromo es técnicamente factible, eco-amistoso y con alta eficacia. Además los materiales, provienen de residuos agrícolas y de la pesca, lo que ayuda en la reducción en la disposición final. El adsorbente se puede regenerar usando el hidróxido del sodio, y por lo tanto puede ser reutilizado. Este adsorbente es un buen candidato para adsorción, no sólo de los iones del cromo sino también para otros tipos de metales pesados que provienen de los Riles.

Los biopolímeros naturales como el Quitosan son industrialmente atractivos debido a su capacidad de bajar la concentración de iones metálicos. "Los materiales naturales que están disponibles en cantidades grandes o desechos de operaciones agrícolas pueden tener un potencial para ser utilizados como adsorbentes de bajo costo, como representan los recursos inusitados, extensamente disponibles y ambientalmente amistosos" (Liu y Dixon. 1996).

"En Chile, el Chacay es una de las principales tipos de malezas , debido a que es extremadamente competitivo, desplaza a las plantas nativas y cultivadas, y altera las condiciones del suelo mediante la fijación de nitrógeno y de acidificación de los suelos" (Egunjobi et al.,1971). Crea un extremo riesgo de incendio debido a su aceitoso y altamente inflamable follaje y semillas, así como abundante material muerto. No sólo aumenta el riesgo de incendio, sino que también produce un fuego más caliente que la mayoría de las malezas. Este aumento del riesgo de incendios es una de las principales amenazas que se ciernen sobre los márgenes de la vegetación nativa.

La combinación de las características útiles del carbón del chacay y del quitosan natural, podría introducir una matriz compuesta con muchos usos y mayor capacidad de adsorción para efluentes industriales que tienen alta concentraciones de cromo u otros metales.

Marco metodológico

A continuación se detallan los equipos, materiales y la metodología empleada en el Estudio de adsorción.

3.1) Materiales y equipos

Equipos

• Balanza analítica 0.001 g, Chyo, modelo MP 300G.

• Medidor de pH/iones, Corning, modelo 315.

• Mufla.

• Estufa de secado y esterilización, Felisa, modelo: Fe – 29ID.

• Espectrofotómetro de Absorción Atómica, PerkinElmer, modelo ANALYST 200.

• Shaking incubador (agitador), Lab tech, modelo LSI – 3016R.

Materiales

• Matraces aforados de 25 – 50 – 100 – 500 -1000 mL.

• Vasos precipitado 100 mL.

• Baguetas

• Embudos de vidrio

• Matraces erlenmeyer de 50 mL

• Papel filtro Borosilicato microfibra (diámetro de 90 MM, MFS).

• Pipetas parciales y totales de 1 – 5 – 10 – 20 ml

• Soporte de embudo

• Tamiz de acero inoxidable de 2 mm.

Reactivos

• Carbón activado (polvo) grado técnico

• Ácido Clorhídrico al 37%

• Ácido Oxálico al 10 %

• Acido fosfórico al 85 %

3.2) Obtención del Chacay

El Chacay (Ulex Europaeus) fue obtenido en Puerto Montt, Chile antes de la llegada de la primavera extrayendo la sección leñosa del arbusto, cuyo contenido es a base de celulosa y lignina. Seguidamente fue llevada al laboratorio donde se procede a cortar en trozos más pequeños, pesando una cantidad de 500 grs. finalmente se seleccionó 350 grs, cantidad suficiente para fabricar carbón activo. Para eliminar el contenido de humedad, se sometió a una temperatura de 105º C por 24 hrs obteniendo 300 grs de muestra seca. Figura 10

Figura 10: Parte leñosa del Chacay, base para la preparación del carbón activo.

3.3) Preparación Carbón Activo de Chacay (CACH)

Existen 2 métodos de activación para preparar carbón granulado (CAG): El Tratamiento químico y térmico o físico, este último es el más eficiente, ya que la carbonización y activación del precursor se realiza sin la adición de ningún reactivo, solamente mediante la acción de gases oxidantes como vapor de agua, dióxido de carbono, aire o mezclas de los mismos, lo cual no afecta la pureza de los precursores, a diferencia de la activación química en la cual la impregnación y el tipo de tratamiento térmico que se le asigna varia la pureza de los precursores.

En consecuencia se optó por utilizar el método de activación química, técnica menos eficiente que la activación térmica o física, pero la más adecuada ya que existen los instrumentos, materiales y reactivos en laboratorio, no siendo el caso de la activación térmica o física.

La técnica que se utilizó para activar material lignocelulosico es la reportada por (Luna A. 2007). Esta activación consistió en mezclar los 300 grs de muestra seca con ácido fosfórico (H3PO4 al 85 %) en una relación másica 1:5, a una temperatura de 120 ºC por 24 hrs agitando a 150 RPM tiempo suficiente para impregnar el ácido en la muestra. (Figura 11).

Finalizando el tiempo impregnación, se llevó a cabo el tratamiento térmico, calentando las muestras impregnadas en ausencia de aire a diferentes temperaturas.

Para colocar las muestras en el horno tipo mufla, este se debió calentar previamente a 100ºC, y una vez cargada la muestra se fijó la temperatura deseada tomando el tiempo para cada temperatura, rociando agua destilada entre cada intervalo para evitar las perdidas por combustión.

Tabla 5: Temperaturas para la carbonización

El producto resultante luego del tratamiento térmico se lavó con agua destilada para eliminar el exceso de ácido fosfórico y de contaminantes hidrosolubles. Finalmente se secó a temperatura ambiente por 48 hrs, obteniéndose un producto final, como se muestra en la figura 12.

Para obtener un carbón activo de tamaño granular, se procedió al tamizado del producto limpio y seco, obteniendo carbón activo CACH de 2 mm con un peso 200 grs, con lo cual se realizaron todos los ensayos del presente trabajo.

Figura 11: Preparación de carbón activo

Figura 12: Fases de preparación del carbón activo de Chacay

3.4) Preparación del Gel Quitosan

El quitosan se obtuvo comercialmente en un recipiente plástico hermético, cuyo contenido neto es de 35 grs, de los cuales el 85% posee de grupos diacetilo. Seguidamente se agregaron lentamente 5 grs de quitosan adquirido a 100 ml de ácido oxálico al 10 %, revolviendo constantemente con una bagueta por 15 minutos a 50 ºC para facilitar la mezcla. Finalmente a temperatura ambiente, la mezcla ácida Quitosan- Oxálico formó un gel viscoso blanquecino. (Figura 13)

Figura 13: Transformación de quitosan a Gel

3.5) Preparación del Carbón Activo de Chacay Cubierto con Quitosan (CACHQ)

En un vaso precipitado de 200 ml se diluyeron 50 mg del gel anteriormente descrito, con 50 ml de agua destilada, calentado a 50 ºC por 15 minutos mezclando constantemente con un agitador magnético termo regulado, todo esto para diluir más la mezcla.

Finalmente, al gel diluido se le agregó lentamente 50 grs de CACH, y se agitó por 24 hrs a 150 RPM en un agitador magnético, una vez mezclado, fue llevado a la estufa de secado por 8 hrs. A 105 ºC.

Al terminar todo el proceso se obtuvo un carbón activo en polvo, con características estéticas similares al Carbón Activo Comercial (CAC), figura 15.

Figura 14: Materiales utilizados para preparar el carbón activo de Chacay cubierto con quitosan

Figura 15: Carbón activo resultante de la mezcla con quitosan

3.6) Preparación del RIL artificial

Adsorción del Cromo Hexavalente

Se comparó las propiedades de adsorción de los tres carbones CACH, CACHQ teniendo como referencia el carbón activo comercial (CAC), utilizando experimentos en Batch para determinar la eficiencia de remoción de Cromo Hexavalente.

Para la preparación del RIL artificial se utilizó una solución estándar de 3.5 mg/L de Cr+6, se determinó esta concentración debido a que equivale a 7 veces la concentración permitida por el DS 609/98, con el fin que sea utilizada por aquellas empresas que tienen índices excesivos a la normativa.

Para conocer la eficiencia de adsorción se consideró tres parámetros operacionales, que son claves para definir el adsorbente en cualquier tratamiento de RILES que tenga como residuo cromo; estos parámetros son el pH, RPM, y la Dosis de adsorbente, para los tres tipos de carbones activados (CACH, CACHQ, CAC).

Efecto del pH

Para encontrar el pH optimo, se utilizaron 9 matraces de 250 ml por carbón activo a utilizar (CACH, CAC, CACHQ), haciendo un total de 27 matraces. Se añadieron 20 ml de solución de Cr VI (3,5 mg/l) antes preparada a cada matraz, ajustando el pH de 1 a 9, utilizando para este fin soluciones de NaOH y NaCl ambas a 0,1 M para su regulación.

Finalizada esta actividad se les agregó a cada matraz 200 mg de absorbente (CACH, CAC, CACHQ). El contacto entre la solución de cromo (VI) y los adsorbentes se llevo a cabo en un shaiking incubador, que cumple la función de agitador termoregulado, por 60 min a 200 RPM y a temperatura ambiente. Pasados los 60 min, las 9 soluciones por tipo de carbón activado (CACH, CACHQ, CAC), se hacen pasar por papel filtro borosilicato microfibra, de diámetro 90 MM, MFS, utilizando un embudo de vidrio.

Finalmente para conocer las concentraciones de metal en las 9 soluciones por tipo de carbón activado (CACH, CACHQ, CAC), se utilizó el espectrofotómetro de adsorción atómica, Perkin Elmer, modelo Analist 200, a una longitud de onda de 357.9 nm y 15 mA. La cantidad de metal cromo VI, se determinó utilizando las respectivas curvas de calibración con coeficientes de correlación de 0.95 ó mayor (a mayor coeficiente de correlación más exacta es nuestra medición).

Las muestras que no fueron medidas de inmediato se conservaron en Acido Clorhídrico concentrado a un 37% para mejor preservación del metal en la solución.

Efecto de la Dosis

Para encontrar la dosis óptima a cada carbón activo (CACH, CACHQ, CAC), se trabajo con el pH óptimo encontrado en la fase anterior.

Se utilizaron 12 Erlermeyer de 250 ml por carbón activo variando la dosis de absorbente a 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275 y 300 mg los que se colocaron en contacto con 20 ml de solución de Cr VI.

El contacto de los carbones con el metal se llevo acabo en el shaiking, por 60 min a 200 RPM a temperatura ambiente. Pasados los 60 min, las 12 soluciones de cromo por tipo de carbón activado (CACH, CACHQ, CAC), se hacen pasar por papel filtro borosilicato microfibra, de diámetro 90 MM, MFS, utilizando un embudo de vidrio. Obteniendo una solución final de cromo filtrada, como resultado del proceso de adsorción.

Finalmente para conocer las concentraciones de metal en las 12 soluciones por tipo de carbón activado (CACH, CACHQ, CAC), se utilizó el espectrofotómetro de absorción atómica, Perkin Elmer, modelo Analist 200, a una longitud de onda de 357.9 nm y 15 mA. La cantidad de metal cromo VI, se determinó utilizando las respectivas curvas de calibración con coeficientes de correlación de 0.95 ó mayor (a mayor coeficiente de correlación más exacta es nuestra medición).

Las muestras que no fueron medidas de inmediato se conservaron en Ácido Clorhídrico concentrado a un 37% para mejor preservación del metal en la solución.

Efecto de las RPM

Una vez conocido en pH y la dosis optima a cada carbón activo, se fue variando la velocidad de agitación a 0, 20, 40, 80, 160 y 180 RPM. Para esto se utilizaron 7 Erlermeyer de 250 ml por carbón activado (CACH, CACHQ, CAC).

A los 7 Erlermeyer se agregaron 20 ml de solución de Cr VI, ajustando a cada matraz el pH optimo y la dosis optima. Este procedimiento se efectuó a cada carbón a experimentar. Una vez realizado el contacto de los carbones con la solución metálica se deriva rápidamente al shaiking, por 60 min a 200 RPM a temperatura ambiente. Pasados los 60 min las soluciones de cromo por tipo de carbón activado (CACH, CACHQ, CAC), se hacen pasar por papel filtro borosilicato microfibra, de diámetro 90 MM, MFS, utilizando un embudo de vidrio.

Finalmente para conocer las concentraciones de metal en las 7 soluciones por tipo de carbón activado (CACH, CACHQ, CAC), se utilizó el espectrofotómetro de absorción atómica, Perkin Elmer, modelo Analist 200, a una longitud de onda de 357.9 nm y 15 (mili Amper) mA. La cantidad de metal cromo VI, se determinó utilizando las respectivas curvas de calibración con coeficientes de correlación de 0.95 ó mayor (a mayor coeficiente de correlación más exacta es nuestra medición).

Las muestras que no fueron medidas de inmediato se conservaron en Ácido Clorhídrico concentrado a un 37% para mejor preservación del metal en la solución.

Desorción

La desorción es el proceso contrario a la adsorción; lo cual viene siendo la eliminación de materia desde un medio adsorbente, usualmente para recuperar el material.

Proceso de Desorción

Cuando el proceso de adsorción de cromo terminó, el sistema carbón activo-solución de cromo, se filtró. El filtrado (carbón activo cargada con cromo) se transfirió a un erlenmeyer, al cual se adicionó un volumen de hidróxido de sodio (agente eluyente), con una concentración definida. El carbón activo cargado se mantuvo en contacto con el agente eluyente, (álcali o agente basificante que eleve el pH del medio hasta un valor de 9), por 8 horas con agitación mecánica; se tomaron muestras periódicas cada 1hr. Para evaluar el desarrollo del proceso de desorción. Con el objeto de lograr las mejores condiciones para la desorción de cromo, se utilizó hidróxido de sodio como agente eluyente, por adición de una solución acuosa del 25% (p/v) con agitación mecánica hasta alcanzar un valor de pH = 9 y posterior calentamiento entre 70 – 80 ºC.

Tabla 6: Rangos de trabajo para la desorción

La capacidad de adsorber iones Cr (VI) de los CACHQ se analizó nuevamente, siguiendo el procedimiento detallado para los ensayos de adsorción empleando las muestras de CACHQ originales.

Resultados

4.1) Efecto de la variación de pH en la adsorción de Cromo Hexavalente por método Batch, utilizando CACH, CACHQ, CAC.

Adsorción por CACH

El pH es un parámetro operacional muy importante, porque afecta la solubilidad de los iones metálicos en la fase acuosa. En este contexto, se pudo analizar en la primera parte la eficiencia de retención del ión Cromo (VI) en la solución, utilizando Carbón Activo de Chacay (CACH) activado químicamente con acido fosfórico.

Se observa que al variar el pH (1-9), y manteniendo fija la dosis 200 mg, velocidad de agitación 200 RPM, a temperatura ambiente, se obtiene una eficiencia máxima del 65,46 % de adsorción de Cromo Hexavalente a pH 1, declinando la eficiencia a medida que fue aumentando el pH.

Gráfico 1: Efecto del pH en la adsorción con carbón activo de Chacay.

Adsorción por CACHQ

Manteniendo los mismos parámetros operacionales del punto anterior, dosis 200 mg, velocidad de agitación 200 RPM, a temperatura ambiente, se analizó el Carbón Activo de Chacay cubierto con aproximadamente el 21% de gel Quitosan (CACHQ), se observó que a partir del pH 2 comienza a mejorar la eficiencia de adsorción desde un 79,69% hasta un máximo de eficiencia del 89,77% a pH 7, además se puede constatar estabilidad de adsorción entre pH 5, 6, 7 y 8 con un 88,37- 89,17- 89,77- 89,11 % de eficiencia respectivamente. Gráfico 2.

Gráfico 2: Efecto del pH en la adsorción, utilizando carbón activo de Chacay cubierto con quitosan.

Adsorción por CAC

Finalmente se tomo como referencia al Carbón Activo Comercial (CAC), con el cual se trabajó paralelamente con los demás carbones (CACH,CACHQ), considerando los parámetros operacionales ,dosis 200 mg, Tº ambiente, y la velocidad de agitación de 180 RPM. Se puede apreciar que se obtuvo un 86 % de adsorción de Cromo VI a pH 9, partiendo de una tendencia casi semejante desde el pH 3 (78% de adsorción), hasta su máximo que corresponde al pH 9. Gráfico 3.

Gráfico 3: Efecto del pH en la adsorción con carbón activo comercial.

Comparación adsorción utilizando CACH, CAC, CACHQ

Se puede observar que CACHQ presenta mayor eficiencia comparado con los demás Carbones activos, demostrando que su uso puede ser muy útil cuando se tienen Riles con variaciones bruscas de pH. No operando eficientemente en riles que son excesivamente ácidos.

Gráfico 4: Comparación del efecto del pH utilizando CAC, CACH y CAHQ

4.2) Efecto de la dosis en la adsorción de Cromo Hexavalente, por método Batch, utilizando CACH, CACHQ, CAC.

Adsorción por CACH

La dependencia de la dosis se estudió mediante variaciones de la cantidad de adsorbente de 25 a 300 mg, manteniendo los parámetros, temperatura ambiente, el pH en 1, la velocidad de agitación a 200 RPM, y el tiempo de contacto de 60 min. La máxima eficiencia de eliminación de Cr+6 se obtuvo con una dosis de 50 mg.

Gráfico 5: Efecto de la dosis utilizando carbón activo de Chacay donde se observa la máxima eficiencia, con una dosis de 50 mg de absorbente.

Adsorción por CACHQ

La dependencia de la dosis del carbón activo de Chacay con quitosan (79% de CACH + 21% de gel quitosan), se estudió mediante variaciones de la cantidad de adsorbente de 25 a 300 mg, manteniendo los parámetros, temperatura ambiente, el pH en 7, la velocidad de agitación a 200 RPM y el tiempo de contacto en 60 min.

Su máxima eficiencia de adsorción como se observa en el Gráfico 6, se obtuvo a los 25 mg de absorbente siguiendo la tendencia que a mayor dosis se produce perdida de carbón activo, y como consecuencia el costo de operación incrementa.

Gráfico 6: Efecto de la dosis utilizando carbón activo de Chacay cubierto con quitosan, representando la máxima eficiencia a menor concentración de absorbente.

Adsorción por CAC

La dependencia de la dosis del carbón activo comercial, se analizó mediante variaciones de la cantidad de adsorbente de 25 a 300 mg, manteniendo los parámetros temperatura ambiente, el pH en 9, la velocidad de agitación a 200 RPM y el tiempo de contacto en 60 min.

Su máxima eficiencia de adsorción como se observa en el Gráfico 7, se obtuvo a los 50 mg de absorbente mostrando una disminución a medida que aumentaba la dosis.

Gráfico 7: Efecto de la dosis utilizando carbón activo comercial.

Comparación adsorción utilizando CACH, CAC, CACHQ

En este gráfico se puede ver que existe una pequeña diferencia en la eficiencia de adsorción entre el CAC (92,29% a 50 mg de dosis) y el CACHQ (92,26% a 25 mg de dosis), demostrando que el CACHQ puede ser utilizado en la remoción de Cr VI.

Gráfico 8: Comparación del efecto de la dosis utilizando CAC, CACH y CAHQ.

4.3) Efecto de la variación RPM en la adsorción de Cromo Hexavalente por método Batch, utilizando CACH, CACHQ, CAC.

El efecto de la velocidad de agitación se evaluó variando desde 0 RPM. (Sin sacudir) hasta 200 RPM, teniendo la dosis óptima para CACH de 50 mg, CACHQ de 25 mg y CAC de 50 mg manteniendo los siguientes pH óptimos:

• CACH pH 1

• CACHQ pH 7

• CAC pH 9

Adsorción por CACH

El efecto de la velocidad de agitación tuvo su máxima adsorción a los 160 RPM, con un porcentaje de remoción del 74,17%.

Gráfico 9: Adsorción de CACH variando la velocidad de agitación en el RIL artificial.

Adsorción por CACHQ

El gráfico detalla, los parámetros operacionales en sus condiciones óptimas siendo la eficiencia máxima del 94,83 % a los 160 RPM.

Gráfico 10: Efecto de las RPM utilizando carbón activo de Chacay cubierto con quitosan, mostrando su estabilidad frente a distintas velocidades.

Adsorción por CAC

Se Observa que CAC desde los 80 RPM comienza a manejar una tendencia hacia su máximo de retención de cromo 92,29 % a 200 RPM.

Gráfico 11: Adsorción de CAC variando la velocidad de agitación.

Comparación adsorción utilizando CACH, CAC, CACHQ

La eficiencia de remoción del Cr crece a medida que aumenta la agitación. La eficiencia de remoción de Cr por CACHQ aumento a partir del 83,37 % a los 0 RPM de velocidad de agitación hasta el 93,14 % a los 20 RPM de velocidad de agitación, manteniéndose casi constante la eficiencia de remoción hasta llegar a una remoción máxima de 94,83 % a la velocidad de 160 RPM.

Gráfico 12: Comparación del efecto de las RPM utilizando CAC, CACH y CAHQ.

Estos resultados se pueden asociar al hecho del aumento de la velocidad de la agitación, esta velocidad mejora la difusión de los iones de cromo por toda la superficie de los adsorbentes.

Esto también indica que el movimiento desde los rangos de 0 RPM hasta los 200 RPM es suficiente para asegurar que todos los sitios de unión de la superficie son fácilmente disponibles para la captación Cr (VI).

4.4) Elución

Para recuperar el Cromo adsorbido se utilizó una solución de hidróxido de sodio al 25% (p/v), la cual permitió la recuperación del 55% de la especie metálica de cromo total en un tiempo de 7 horas. Asimismo, se encontró que las propiedades de superficie de las muestras de carbón, posibilitan su regeneración en conjunto con su capacidad de adsorción de iones de Cromo.

En otras palabras el carbón activado es de fácil regeneración esto quiere decir, que su capacidad de adsorción no disminuye una vez que se retira el cromo por ensayos de desorción.

Gráfico 13: Eficiencia de remoción de Cr VI.

Observación.- se debe controlar que el pH no sea mayor a 9, dado que es posible la redisolución del precipitado.

Discusión

Hoy en día, existe una amplia gama de procesos físicos y químicos disponibles para la eliminación del Cr (VI) de las aguas residuales, tales como la precipitación electroquímica, ultrafiltración, intercambio de iones, son considerados una técnica efectiva para tal propósito. Sin embargo su costo operacional es cada día más alto, impidiendo que microempresas adopten estos sistemas.

Para mejorar la eficiencia y eficacia en la remoción de metales pesados, se han experimentado con diferentes tipos de carbones activos a nivel mundial, obteniendo fabulosos resultados, sin embargo sigue siendo un inconveniente encontrar la materia prima para su fabricación, debido a que unas de las características para su obtención es que deben poseer una gran abundancia (desechos), y los costos de obtención y operación deben ser bajos.

"Sin embargo activando el Chacay a temperaturas entre (300-700 Cº), usando un agente químico como el ácido fosfórico para aumentar la porosidad, se puede obtener un carbón hidrofilico de poros anchos (mesoporos > 2 nm), apropiados para aplicarlos en fase liquida" (Reinoso, 2005).

El carácter hidrófobo de los carbones activados adsorben preferentemente compuestos no polares, la presencia de inorgánicos y heteroátomos que forman grupos funcionales superficiales influencian las propiedades de adsorción de especies polares.

Los grupos funcionales oxigenados que pueden existir en el carbón activado de chacay de mayor importancia son los grupos Carboxílicos, Fenólicos, Carbonilícos, Quinólicos, Láctonicos, debido a su origen ligno celulosico. Ellos pueden actuar como ácidos libres ó actuar con un carácter anfótero, (acido y básico a la vez), siendo centros de retención de los contaminantes metálicos.

Las propiedades adsorbentes del CACH no sólo están definidas por su estructura porosa, sino también por la naturaleza química que posee el Chacay (Ulex europeaus), siendo principalmente la fijación de nitrógeno y la acidificación de los suelos, creando un extremo riesgo de incendio debido a su aceitoso, altamente inflamable follaje. Estas características especiales serian importante en el proceso de adsorción; sin embargo el proceso de activación no fue efectivo debido a muchas causas: Poca Información Bibliográfica del Chacay, con respecto a las propiedades físicas Químicas, además la no aplicación de vapor caliente, etapa importante ya que crea la estructura porosa en el carbón con grandes áreas superficiales (tan elevadas como 1000 m2/g).

La adsorción de Cromo (VI) presentes en aguas depende de varios factores que se relacionan: la constitución química del agua, las formas en que se encuentran las especies de metales pesados, la textura y los grupos funcionales presentes en la superficie del carbón activado. Variables como origen, tipo y tamaño de partícula del carbón activado, pH de la solución, temperatura del agua, tiempo de contacto, Velocidad de Agitación (RPM), Dosis del Adsorbente y la relación entre Adsorbente y Adsorbato denominado Isotermas de adsorción. Se analizaron 3 parámetros operacionales importantes en el proceso de adsorción, discriminando todos los demás factores, debido a la falta de tiempo de los autores de este trabajo, y además de la escasa disponibilidad de equipo en la Universidad especialmente del Agitador Termoregulado.

En la implicancia que tiene pH en la capacidad de adsorción, utilizando CACH; se observa que al variar el pH (1-9) y manteniendo fija la dosis y RPM, se obtiene la remoción máxima del 65,46% a pH 1, declinando la eficiencia a medida que fue aumentando el pH. Esto se debe a que a pH ácido existen más especies dominantes (Carboxílicos, Fenólicos, Carbonilícos, Quinólicos, Láctonicos) en el carbón activo, obteniendo el aumento de la concentración de grupos funcionales, aumentado las cargas negativas del CACH.-

En el Carbón Activo de Chacay Cubierto con aproximadamente el 21% de gel Quitosan (CACHQ), se observó que a partir del pH 2 empezó a mejorar la eficiencia de remoción desde un 79,69% hasta un máximo de eficiencia del 89,77% a pH 7. "Aquí el Cr (VI) se encuentra en solución como CrO4-2 (ión cromato) dependiendo del pH, siendo a pH 7 un anión" (Cotton y Wilkinson, 1980), siendo el responsable de la adsorción el grupo NH3+ del quitosan que en ese momento forma una sola especie con el CACH.

El Carbón Activo Comercial (CAC) se trabajó paralelamente con los demás carbones (CACH, CACHQ), considerando los mismos parámetros operacionales, dosis, Tº, RPM. Se puede apreciar que se obtuvo un 86 % de remoción de Cromo VI a pH 9, partiendo de una tendencia casi semejante desde el pH 3 (78% de remoción), hasta su máximo que corresponde al pH 9. Se desconocen las razones que expresan las diferencias de adsorción de Cr (VI) por CAC estudiadas en este trabajo. La explicación podría radicar en el origen del percusor.

En el segundo experimento se fue cambiando la cantidad de adsorbente, de 25 mg a 300 mg, mientras se guardaba constante otros parámetros (pH, temperatura, tiempo de contacto y la velocidad de agitación). Se puede deducir que a mayor dosis de adsorbente aumenta la eficiencia de remoción del metal, debido a que existe mayor disponibilidad de sitios iónicos. No todos demostraron esta tendencia ya que en cierta cantidad de adsorbente (25-50 mg) se observa la mayor eficiencia de retiro. En 3,5 mg/l de cromo (VI) inicial, la eficiencia de remoción fue de 68,40% para CACH con una dosificación de 50 mg, mientras que para CACHQ era el 92,26% con 25 mg de adsorbente y CAC el 92,29 % dosificando con 50 mg. Esto sugiere que después de cierta dosis del adsorbente, los sistemas superficiales del carbón responsable de la atracción, siguen siendo constantes, incluso con la adición excesiva de adsorbente. También se comprobó que el tamaño del poro incide en la adsorción del cromo, ya que los mejores resultados se obtuvieron cuando el carbón activo adoptó el tamaño de polvo (CAP), lo que es interesante observar ya que indica diferentes grados de modificación superficial.

El efecto de la velocidad de agitación, fue estudiado variando la agitación de 0 (sin sacudir) hasta 200 RPM, mientras se guardaba el pH y la dosis óptima de los adsorbentes. Se puede observar que la eficiencia de remoción del cromo aumenta al incrementar la velocidad de agitación hasta cierto punto.

La eficiencia de retiro para el adsorbente CACH, aumentó del 36,91% a partir 0 RPM hasta un 74,17% a las 160 RPM, siguiendo una tendencia casi homogénea hasta los 200 RPM. Para CACHQ la eficiencia aumentó del 83,73% desde 0 RPM hasta un 94,83% a las 160 RPM, manteniendo generalmente la misma eficiencia a cambios de velocidad.

El punto de control CAC necesita más agitación para mejorar su eficiencia, ya que a los 80 RPM empieza a mejorar significativamente la eficiencia, hasta llegar a un Peack de remoción del 92,29 % a 200 RPM. Este resultado se puede asociar al hecho de que el aumentó de la velocidad de agitación, mejora la difusión de los iones Cr (VI) hacia la superficie de los adsorbentes. Esto también indica que el rango de velocidad (20-200 RPM), es suficiente para asegurar que todos los sitios obligatorios superficiales sean ocupados, es decir que todos los macroporos del carbón activado estén ocupados por las moléculas de cromo.

Conclusiones

Existen diversos tipos de tratamientos para la remoción de metales pesados siendo uno de ellos la adsorción con carbón activo, este posee la virtud deadherir o retener en su superficie uno o más componentes (átomos, moléculas, iones) del líquido que está en contacto con él. La adsorción es la responsable de purificar y decolorar el agua u otros sólidos, líquidos o gases que entren en contacto con el elemento adsorbente.

En Chile existe el Chacay especie considerada como una maleza debido a su gran capacidad reproductiva, rápido crecimiento y propiedades combustibles, además de ser una plaga para la agricultura y forestería de las Regiones VIII, IX y X. Por este motivo se estudio la forma de convertirlo en carbón activo, mezclando su superficie carbonosa con quitosan. En este último su materia prima (quitina) es distribuida ampliamente en la naturaleza y, después de la celulosa (materia base del papel), es el segundo polisacárido en abundancia, cuyas fuentes derivan generalmente de exoesqueleto (caparazón) de muchos crustáceos, alas de insectos (escarabajos, cucarachas) en otros. Por este motivo es ilógico pensar que Chile siendo un país costero no explote masivamente esta materia prima, ya que su utilidad puede llevar a buenos dividendos, tanto para la medicina, como para la reducción de la contaminación especialmente metales pesados.

Las implicancias de esta investigación sostienen que el uso de CACHQ es altamente eficiente para remover cromo (VI) en una solución de RIL artificial, manejando los parámetros operacionales analizados en este estudio. Para conseguir una eficiencia de 94,83 % de remoción se debe manejar a pH 7, con 25 mg, a una velocidad óptima de 160 RPM. Esto Ratifica la importancia que tiene nuestros recursos para crear nuevos productos, que solucionen los problemas ambientales que hoy en día repercuten a nivel mundial.

El carbón activo comercial (CAC) también demostró ser efectivo para la remoción de Cr (VI). Pero sigue siendo un material costoso. Se estima que su valor va desde US $ 1.200 hasta US $ 14.000 la tonelada.

La máxima adsorción del CACH fue de 74,17%, el CAC tuvo su máximo de retención de cromo 92,29 %, y el CACHQ tuvo eficiencia máxima del 94,83 % por lo tanto el carbón activo de chacay cubierto con quitosan supera exitosamente todos los carbones activos estudiados anteriormente.

El proceso de recuperación de cromo fue del 55 % en un tiempo de 7 horas. Asimismo, se encontró que las propiedades de superficie de las muestras de carbón, posibilitan su regeneración en conjunto con su capacidad de adsorción de iones de Cromo, en otras palabras el carbón activado es de fácil regeneración esto quiere decir, que su capacidad de adsorción no disminuye una vez que se retira el cromo por ensayos de desorción.

Finalmente se recomienda a quienes se interesen por este tema, en primer lugar caracterizar físicamente el carbón activo obtenido (CACH, CACHQ), ya sea por su densidad aparente, dureza y superficie específica. Además se debe relacionar la cantidad de sustancia adsorbida por unidad de peso de adsorbente (qe) como una función de la concentración residual en equilibrio (Isotermas de adsorción), y en segundo lugar probar diferentes métodos de activación al percusor, para encontrar una mayor eficiencia de adsorción no solo para el cromo hexavalente, sino que para varios metales traza que son igual o más tóxicos, tanto para los seres humanos como al medio ambiente.

Bibliografía

• 1.  Baes C. y Mesmer R. 1976. The hydrolysis of cations, Wiley-Interscience, USA.

• 2. Bisby M. 1981. Control biológico de Ulex europaeus L.: Internacion a Chile de dos poblaciones del bioagente Agonopterix ulicetella (Stainton).

• 3. CONAF. Departamento de Recursos naturales. Puerto Montt. "Entrega de mapa año 2006, distribución del ulex europeaus en la Décima Región".

• 4. Cotton F. y Wilkinson G. 1980. Advanced organic chemistry: a comprehensive text, 4th ed. New York: John Wiley and Sons. Pág. 719-736.

• 5. D.S. Nº 609/98 Ministerio de Obras Publicas Normas de Emisión para la regulación de contaminantes asociados a las descargas de Residuos líquidos asistema de alcantarillado.

• 6. Egunjobi et al. 1971. Ecosystem processes in a stand of Ulex europaeus. I. Dry matter production, litter fall, and efficiency of solar energy utilization. J. Ecology. Pág. 31-38.

• 7. EPA. 1998a. Toxicological review of hexavalent chromium. (CAS No. 18540-29-9) U.S. Environmental Protection Agency. Washington D.C.

• 8. EPA. 1998b. Toxicological review of trivalent chromium. (CAS No. 16065-83-1) U.S. Environmental Protection Agency. Washington D.C.

• 9. Eroski J. 2006. Ecosistema y la salud del ser humano. Pág. 78-79.

• 10. Fernández A. et al. 2006. Aspectos industriales de la producción de carbón activado y sus aplicaciones en la mitigación ambiental. Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales, Habana, Cuba. Pág. 417.

• 11. Giles C. y Hassan A. 1958. Adsorption at organic surfaces. V. A study of the adsorption of dyes and other organic solutes by cellulose and chitin, Journal of the Society of Dyers and Colourists. Pág. 846-857.

• 12. Giles y Col. 1958. Syntheses, Properties, and Applicatios of Organic Dyes and Pigments for study of adsorption. Pág. 74, 846. 

• 13. Glasstone S. et al. 1941. The theory of rate processes, McGraw-Hill, New York, USA.

• 14. Holan Z. y Volesky B. 1994. Biosorption of lead and chromium by biomass of marine algae, Biotechnology and Bioengineering. Pág. 1001-1009.

• 15. Kratochvil D. et al. 1998. Removal of trivalent and hexavalent chromium by seeweed adsorbent, Environmental Science & Technology. Pág. 2693-2698

• 16. Kuyucak N. y Volesky B. 1989a. Accumulation of cobalt by marine alga, Biotechnology and Bioengineering. Pág. 809-814.

• 17. Kuyucak, N. y Volesky, B. 1989b. The mechanism of chromium and cobalt biosorption, Biotechnology and Bioengineering. Pág. 823-831.

• 18. Liu S, Dixon K. 1996. Induction of mutagenic DNA damage by chromium (VI) and glutathione. Environ Mol Mutagen. Pág. 71–79.

• 19. Luna A. et al. 2007. Obtención de carbón a partir de la cáscara de coco. Pág. 32-48.

• 20. Matthei J. 1995. Manual de las malezas que crecen en Chile. Alfabeta Impresores, Santiago.

• 21. Morel F. 1983. Principles of aquatic chemistry, John Wiley & Sons, New York, USA.

• 22. Morrison R. 1987. Organic chemistry, Allyn & Bacon Inc., Newton, USA.

• 23. Prasetyo I. 1992. Removal of toxic metals from aqueous solutions by biosorption, M. Eng. Thesis, McGill University, Montreal, Canadá.

• 24. Reinoso F. 2005. "Carbón activado, estructura, preparación y aplicaciones". Revista Uniandes, Colombia. Pág. 66–69.

• 25. Roberts. G. 1992. Chitin chemistry, Macmillan, London, UK.

• 26. Saifuddin M. Nomanbhay. 2005. Removal of heavy metal from industrial wastewater using chitosan coated oil palm shell charcoal, Electronic Journal of Biotechnology, vol. 12. Pág. 64-70.   

• 27.  Schiewer S. 1996. Multi-metal ion exchange in biosorption, Ph.D. Thesis, McGill University, Montreal, Canadá.

• 28. Schiewer S. y Volesky B. 1995. Modelling of the proton-metal ion exchange in biosorption, Environmental Science & Technology. Pág. 3049-3058.

• 29. Toles C y Col. 1999. Surface functional groups on acid-activated nutshells carbons. Carbón 37, Pag. 1207-1214.

• 30. Tsezos M. y Volesky B. 1981. Biosorption of uranium and thorium, Biotechnology and Bioengineering. Pág. 583-604.

• 31. Volesky B. 1990. Removal and recovery of heavy metals by biosorption, en Biosorption of heavy metals, Volesky, B., CRC Press, INC., Boca Raton (Florida), USA.

DEDICATORIA

Uno puede devolver un préstamo de dinero, pero está en deuda de por vida con aquellos que fueron amables y estuvieron contigo en los momentos difíciles, esto va dedicado a todos los que queremos un mundo mejor y no creemos en lo imposible, Sino en la voluntad que es el camino.

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer en primer lugar a mi Mamá, la cual me ha permitido lograr esto tan anhelado y esperado hace tanto tiempo con mucha paciencia, por su amor, por darme toda la tranquilidad y apoyo para disfrutar de los años más maravillosos y al mismo tiempo los más terribles que tuvo este camino y por último por darme la fuerza y la garra en los momentos que pensé que ya no podía más.

A mis grandes amigos, a mi profesora guía Katia Elgueta por apoyarme, alentarme y creer en mi proyecto.

Por último a la señora Patricia Gonzales encargada de laboratorio, gracias por su paciencia y haberme aguantado todo ese tiempo que estuve preparando mi seminario.

Muchas gracias a todos por su tiempo, disposición y ayuda. Sin ustedes no hubiese podido concretar este sueño.

Autor:

Pablo Rozas Riquelme

SEMINARIO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO EN MEDIO AMBIENTE Y MANEJO COSTERO

PROFESORA GUIA: SRA. KATIA ELGUETA

PUERTO MONTT, ABRIL 2008

UNIVERSIDAD DE LOS LAGOS

DEPARTAMENTO DE RECURSOS NATURALES Y MEDIO AMBIENTE