Estudio de la biosorción de ion

Resumen

Se investigó la adsorción de iones Cu (II), Ni (II) y Pb (II) mediante quitosano modificado en diferentes formas: en función del pH inicial, masa de adsorbente, concentración inicial del metal, y cinética de adsorción, mediante experimentos discontinuos a temperatura ambiente. Se produjeron 3 tipos de adsorbentes: quitosano en polvo (Q), perlas de quitosano entrecruzado y funcionalizado (QF) y alginato (A).

Palabras clave: Quitosano, quitosano entrecruzado, ion Cu (II), ion Ni (II), ion Pb (II), adsorción, isoterma de adsorción, pH.

BIOSORPTION OF COOPER (II), NICKEL (II) AND LEAD (II) BY MEANS CHITOSAN AND CROSS-LINKAGE FUNTIONALIZED CHITOSAN

ABSTRACT

The adsorption of cooper (II), nickel (II) and lead (II) by means of chitosan with different treatments was investigated as: a function of initial pH, adsorbent mass, initial metal concentration, and adsorption kinetics. Batch equilibrium and kinetics experiments were performed at room temperature. Three types of adsorbents were produced: powder chitosan (Q), powder cross-linked functionalized chitosan (QF), and alginate (A).

Key words: Chitosan, cross-linkage functionalized chitosan, cooper (II) ion, nickel (II) ion, lead (II) ion, adsorption, adsorption isotherm, pH.

Introducción

La contaminación ambiental y el deterioro de algunos ecosistemas han sido intensificados debido al incremento de la actividad industrial, generando una acumulación de metales pesados y compuestos sintéticos. Las aguas residuales provenientes de las actividades mineras y metalúrgicas son consideradas como la mayor fuente de contaminación de metales pesados y la necesidad de métodos económicos y efectivos para la remoción de estos metales ha conllevado al desarrollo de nuevas tecnologías de separación1. Muchas de estas sustancias tóxicas que contienen metales pesados tienden a persistir indefinidamente en el medio ambiente, comprometiendo la salud de animales y personas mediante su acumulación e ingreso a la cadena alimenticia2. Para remover materia orgánica de alta masa molecular o sustancias inorgánicas presentes en aguas residuales, se emplea carbón activado como sustancia adsorbente o resinas de intercambio iónico, los cuales son efectivos, pero tienen alto costo.

a Escuela Profesional de Quimica. Facultad de Ciencias. Universidad Nacional de Ingenieria.

Actualmente, los procesos biotecnológicos han llamado la atención de la comunidad científica por la variedad de métodos destoxificantes empleados para la descontaminación del ambiente. Dentro de este contexto, estos procesos se han separado en dos grandes rubros dentro del mismo objetivo: bioacumulación y biosorción. Entendida la primera como un proceso activo de eliminación de contaminantes mediante mecanismos metabólicos involucrando biomasa viviente, y biosorción como un proceso pasivo con un mecanismo netamente fisicoquímico, por medio de biomasa no viviente3,4, que es menos costosa, más manipulable y presenta menos riesgos de obtener productos no deseados que la bioacumulación. Por ende, la biosorción es un área de investigación con muchos aportes a la comunidad industrial por brindar una alternativa técnica y económicamente viable y por ser considerada una tecnología "limpia" en la eliminación de contaminantes provenientes de aguas residuales o de desecho de actividades productivas. La biosorción ya ha abordado el problema de la eliminación de oro y cromo de fuentes acuíferas, usando una variedad de biomasas, entre ellas: algas, levadura, hongos, bacterias, quitosano, etc.5-9; pero muy pocos han sido los estudios que han desarrollado en detalle todos los parámetros fisicoquímicos de este proceso ni han podido establecer un mecanismo coherente a los resultados.

Lamentablemente, los resultados obtenidos no han sido tan exitosos como los hallados con plomo, cadmio y otros metales pesados que existen en forma catiónica en solución acuosa10-13. Oro y cromo son dos de los pocos metales que existen en forma aniónica en solución acuosa formando iones complejos, y dado que la mayoría de biosorbentes presenta bases de Lewis como centros activos, la adsorción de aniones es reducida. Se ha desarrollado adsorbente tipo catiónico de quitosano (Q), el cual ha sido exitosamente usado como adsorbente para humedad, compuestos orgánicos e inorgánicos14,16. Los resultados demuestran que el intercambio iónico es importante en el mecanismo de adsorción. En dichos estudios la permanente carga positiva del grupo amino del quitosano modificado es el centro activo principal responsable de la adsorción observada y le brinda resistencia mecánica y química. Esta permanente carga positiva independiente del pH, y el mejoramiento de sus propiedades mecánicas, por entrecruzamiento con glutaraldehído, las convierten en potenciales adsorbentes para contaminantes y metales preciosos que se encuentran en forma aniónica.

Por otra parte, la rapidez de fijación del soluto en el biosorbente es estudiada por la cinética de biosorción, la cual expresa el cambio de concentración del soluto en el tiempo y es definida por la ley de velocidad. Entre los modelos cinéticos ampliamente empleados por muchos autores se encuentran el modelo de la cinética de pseudo primer orden o ecuación de Lagergren y el modelo de pseudo segundo orden o ecuación de Ritchie16,17.

Modelo de pseudo primer orden

Este modelo asume la biosorción como una reacción de primer orden en cada uno de sus reactantes a partir de:

Modelo de pseudo segundo orden

En el modelo de Pseudo Segundo Orden la ecuación cinética está representada por:

Parte experimental

Preparacion del quitosano entrecruzado funcionalizado con CS2

Disolver 1g de quitosano en 25mL de ácido acético 4%. Luego gotear la solución sobre una solución de 250mL de NaOH 2.5N con agitación moderada. La solución alcalina se agita por 12 horas y finalmente se lavan con agua destilada hasta pH neutro.

Para obtener el quitosano entrecruzado con glutaraldehido, agregar 0,5g de la perlas de quitosano obtenidas anteriormente a un vaso con 100mL de metanol, luego añadir 0,05mL de una solución acuosa de glutaraldehido 25%. Después agitar a temperatura ambiente por 6 horas, filtar la producto. El producto obtenido se trata con 25mL de NaOH 14% y agregar desde una pera de decantación 1mL de CS2 (agregar a la pera el reactivo y encima de esta agua destilada para evitar la formación de gases explosivos). Agitar a temperatura ambiente por 24horas. Finalmente filtrar y lavar con agua destilada y aire seco.

Preparación de las esferas de alginato de calcio

Las esferas de alginato se prepararon mediante el uso de alginato de sodio como precursor, de la siguiente manera:

Como primer paso se preparó una solución al 2% (w/v) de alginato de sodio en agua desionizada.

Se pesaron 2 g de alginato de sodio y se disolvieron en 100 mL de agua desionizada. Posteriormente, se colocó la disolución en una parilla de agitación por 3 h a una temperatura de 50 °C hasta obtener una solución transparente y viscosa; esta solución se dejó reposar por 24 h.

Adicionalmente, se prepararon 500 mL de solución de 150 mM de cloruro de calcio.

Para la preparación de las esferas de alginato se añadió la solución de alginato de sodio gota a gota (aproximadamente una gota por segundo) en un vaso de precipitado que contenía la solución de cloruro de calcio, agitando suavemente (aproximadamente 60 rpm).

Las esferas formadas en la solución se dejaron agitando por 24 h.

Después se separaron las esferas de la solución y se lavaron 5 veces con agua desionizada, produciendo esferas de alginato desprotonado.

Finalmente, las esferas se dejaron secar en un horno a 35 °C.

Las esferas de alginato de calcio obtenidas en el procedimiento descrito, se tamizaron para seleccionar un tamaño de partícula de aproximadamente 1 mm, las cuales fueron utilizadas posteriormente en experimentos de biosorción .

Biosorcion de metales

Las soluciones de 1-5 ppm de Cu, Ni y Pb se dividieron en dos partes: 10 mL se destinaron para medición directa en el equipo de absorción atómica (Perkin Elmer AAnalyst 200), y los 10 mL restantes de cada solución de metales se vertieron en erlenmeyers de 50 mL provistos de barras magnéticas para agitación, seguidamente se les adicionó 10 mg de quitosano o alginato y 1 mL de HCl al 5% para llevar el pH a 4,0, finalmente se suspendieron en agitación a 250 rpm durante tres horas.

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Autor:

Giancarlo Díaza,

Gerson Ruiza,

Sandra Quispea,

Luis Chávez*a

Enviado por:

Adolfo