ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA OBTENCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS CON PROPIEDADES MAGNÉTICAS PARA LA REMOCIÓN DE ZINC A PARTIR DE RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO CHRISTOPHER GABRIEL ASIMBAYA SELLÁN [email protected] DIRECTORA: ING. NELLY MARÍA ROSAS LAVERDE, M.Sc. [email protected] CO-DIRECTORA: ING. DIANA ENDARA DRANICHNIKOVA, Ph.D. [email protected] Quito, junio 2016 © Escuela Politécnica Nacional (2016) Reservados todos los derechos de reproducción DECLARACIÓN Yo, Christopher Gabriel Asimbaya Sellán, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente. _____________________________ Christopher Gabriel Asimbaya Sellán CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Christopher Gabriel Asimbaya Sellán, bajo mi supervisión. ___________________________ ____________________________ Ing. Nelly Rosas M.Sc. DIRECTORA DE PROYECTO Ing. Diana Endara Ph.D. CO-DIRECTORA DE PROYECTO AUSPICIO La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto (PIMI-14-18), que se ejecuta en el Departamento de Materiales de la Escuela Politécnica Nacional. Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos __________________________________________________________________________________________________________________________ Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos Resumen: En este trabajo se obtuvieron materiales compuestos a partir de la impregnación de nanopartículas de magnetita en residuos lignocelulósicos para remover zinc de soluciones sintéticas. Se emplearon como matrices aserrín de laurel, canelo y eucalipto con tamaños de partícula comprendidos entre 74 y 150 µm. Las nanopartículas de magnetita se sintetizaron mediante el método de co-precipitación a partir de la disolución de cloruro férrico y sulfato ferroso en 100 mL de agua purificada a 35 ᵒC con agitación de 1 250 min-1 y atmósfera inerte. Posteriormente, se añadieron los residuos lignocelulósicos a las mismas condiciones para obtener los compuestos. Mediante Difracción de Rayos X (DRX) se verificó la obtención de magnetita, mientras que, la presencia de las nanopartículas en la matriz se confirmó con Espectroscopia Infrarroja por Transformadas de Fourier (FTIR) y Microscopia Electrónica de Barrido (MEB). Además, mediante Microscopia Electrónica de Transmisión (MET) se determinó que las nanopartículas presentan diámetros de aproximadamente 20 nm. Los máximos porcentajes de remoción de zinc correspondientes a 98,95; 98,80 y 97,61 % se alcanzaron con 7 g/L de cada material compuesto, laurel, canelo y eucalipto, respectivamente. Mientras que, para los residuos lignocelulósicos se obtuvieron remociones de 60,98; 46,01 y 33,31 %. El análisis de las isotermas de adsorción determinó que los compuestos de laurel y canelo se ajustan al modelo de Freundlich, mientras que, el eucalipto se ajusta al modelo de Langmuir. Además, las capacidades máximas de remoción de los compuestos de laurel, canelo y eucalipto fueron 28,65; 21,46 y 8,22 mg/g, respectivamente. Palabras clave: Residuos lignocelulósicos, nanopartículas de magnetita, materiales compuestos, adsorción. Zinc Removal Using Magnetic Composite Materials Obtained from Lignocellulosic Waste Abstract: In this work, composites were obtained by the impregnation of magnetite nanoparticles in lignocellulosic waste for removing zinc from synthetic solutions. Different sawdust from canelo, laurel and eucalyptus, with a particle size between 74 and 150 µm were used as support by separately. Magnetite nanoparticles were synthesized by coprecipitation from the dilution of ferric chloride and ferrous sulfate in 100 mL of purified water at 35 ᵒC with 1 250 min-1 stirring and inert atmosphere. Lignocellulosic residues were added at the same conditions to obtain the composites. X-ray Diffraction (XRD) confirmed the synthesis of magnetite. The presence of nanoparticles in the lignocellulosic support was confirmed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Transmission Electron Microscopy (TEM) showed that the nanoparticles had diameters of about 20 nm. The maximum removal amounts for 7 g/L of laurel, canelo and eucalyptus composites were 98,95; 98,80 and 97,61 %, respectively. While, for lignocellulosic waste were 60,98; 46,01 and 33,31 %, respectively. Analysis adsorption isotherms determined that the laurel and canelo composites fit the Freundlich model, while eucalyptus fits the Langmuir model. Additionally, the maximum remotion capacities of composites from laurel, canelo and eucalyptus were 28,65; 21,46 and 8,22 mg/g, respectively. Keywords: Lignocellulosic waste, magnetite nanoparticles, composites, adsorption. 1. INTRODUCCIÓN La contaminación de efluentes líquidos con metales pesados se ha visto incrementada en los últimos años debido a la creciente actividad industrial. En Ecuador, entre las principales fuentes de contaminación se tienen industrias como la automotriz, galvanoplástica, del hierro y acero, las cuales, generan un elevado contenido de iones metálicos en sus descargas, entre los que destaca el zinc (Bradl, 2015). Este metal afecta la calidad del agua y conlleva un riesgo para la salud del ser humano, cuando su concentración supera los 5 mg/L (Shukla et al., 2002). En la actualidad, se han propuesto varias técnicas que permiten la remoción de metales pesados de los efluentes líquidos. Entre las cuales se incluyen precipitación química, filtración con membranas, electrocoagulación, intercambio iónico y ósmosis inversa (Abdolali et al., 2014). Sin embargo, estos métodos Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos __________________________________________________________________________________________________________________________ presentan ciertas desventajas tales como: baja eficiencia, elevados requerimientos energéticos, además de generar residuos tóxicos secundarios que requieren tratamientos posteriores (Gupta y Babu, 2009). Por estos motivos, se busca tratamientos alternativos que sean económicos, eficientes, de fácil adaptación y baja contaminación, entre los cuales sobresale la adsorción (Ali y Gupta, 2007). Su efectividad depende de factores como la naturaleza de la solución a tratar, el pH, el tiempo de contacto, la temperatura, el tamaño de las moléculas, la concentración de los contaminantes e incluso del tipo de adsorbente empleado (Aeisyah et al., 2013). El adsorbente comúnmente empleado en la remoción de metales pesados es el carbón activado, sin embargo, debido a su elevado costo, ha generado la necesidad de buscar materiales alternativos que sean económicos y de fácil adquisición. Entre estos materiales destacan los residuos de origen maderero, principalmente el aserrín, que debido a su porosidad presentan una elevada superficie libre que facilita el acceso de las soluciones acuosas a las estructuras de la lignina y celulosa de su pared celular, las mismas que intervienen en la remoción de metales pesados (Lee y Rowell, 2004). En estos materiales el fenómeno de adsorción se produce por la formación de enlaces entre los iones metálicos y el oxígeno de los grupos funcionales ionizables presentes en la lignina y la celulosa (Shukla et al., 2002). Este procedimiento se explica mediante el siguiente mecanismo, donde R representa la matriz del aserrín: 2(R ! COH) + M "# $ (R ! CO)" M + 2H # (1) R ! COH + MOH # $ R ! COMOH + H # (2) 2R ! COH + M(OH)" $ (R ! COH)" M(OH)" (3) Las ecuaciones 1 y 2 representan la adsorción mediante intercambio iónico, mientras que, la ecuación 3 representa la formación de un enlace puente de hidrógeno entre el metal y la matriz lignocelulósica (Shukla et al., 2002). En la última década, la aplicación de la nanotecnología ha permitido el desarrollo de adsorbentes más eficientes para la remoción de iones metálicos de efluentes contaminados. Las nanopartículas de magnetita son uno de estos adsorbentes que actúan como un núcleo magnético y mejoran el proceso de adsorción. Además, presentan beneficios como la fácil recuperación, manipulación y generan menor contaminación (Hua et al., 2012). Gupta y Nayak (2012) emplearon residuos de cáscaras de naranja impregnadas con nanopartículas de magnetita para el tratamiento de efluentes contaminados con cadmio y reportaron una remoción de 76,92 mg/g. De igual manera, Panneerselvam et al. (2011) obtuvieron una remoción de 38,3 mg/g de níquel al utilizar residuos de té impregnados con nanopartículas magnéticas. A su vez, López et al. (2012) realizaron estudios sobre la remoción de arsénico con aserrín de pino impregnado con hierro y consiguieron una remoción de 12,85 mg/g. En Ecuador se estima que existen 164 000 hectáreas de plantaciones forestales cuyos principales productos son tableros, aglomerados, MDF y productos de mayor valor agregado. Por otro lado, la industria de la madera aserrada se caracteriza por generar un alto porcentaje de desperdicio que alcanza valores de hasta el 56 % (MAGAP, 2015). Por este motivo, en el presente trabajo se propone el aprovechamiento de estos residuos en la obtención de materiales compuestos impregnados con nanopartículas de magnetita para la remoción de zinc de soluciones sintéticas. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. Reactivos En la síntesis de las nanopartículas de magnetita se emplearon los siguientes reactivos: cloruro férrico hexahidratado [FeCl3.6H2O] (Lobachemie), sulfato ferroso heptahidratado [FeSO4.7H2O] (Panreac) e hidróxido de amonio [NH4OH] al 29 % (FisherChemicals). Para los ensayos de remoción se preparó una solución madre de 1000 mg/L de cloruro de zinc [ZnCl2] (Merck). Los reactivos utilizados fueron de grado analítico y las soluciones se prepararon con agua ultrapurificada tipo 2. 2.2. Obtención de los materiales adsorbentes Se realizaron procesos de acondicionamiento de tres variedades de virutas de madera: canelo amarillo (Ocotea javitensis), laurel (Cordia alliodora) y eucalipto (Eucalyptus globulus). En primer lugar, se realizó el lavado con agua de las materias primas hasta eliminar las impurezas presentes. A continuación, fueron secadas a 100 ᵒC durante 12 h y sometidas a un proceso de reducción de tamaño de partícula en un molino de cuchillas. Las partículas obtenidas se clasificaron mediante un arreglo de tamices y se seleccionó la fracción de tamaños de partícula comprendida entre 74 y 150 µm (Argun et al., 2007; Basso et al., 2002). Los materiales compuestos se obtuvieron a partir de la síntesis de nanopartículas de magnetita mediante el método de precipitación controlada. Para esto, se disolvieron 6,1 g de FeCl3.6H2O y 4,2 g de FeSO4.7H2O en 100 mL de agua. Esta solución fue calentada hasta 35 °C con agitación de 1 250 min-1 y burbujeo constante de argón para generar una atmósfera inerte. Inmediatamente, se adicionaron 10 mL de NH4OH al 29 % y se dejó reaccionar durante 30 min (Kapur y Mondal, 2015). Transcurrido este tiempo, se añadieron 3 g del residuo lignocelulósico y se continuó la agitación durante 30 min a 35 °C (Gupta y Nayak, 2012). La suspensión resultante se enfrió al ambiente y posteriormente se realizaron lavados sucesivos con agua para remover los componentes no reaccionados y neutralizar el pH de la solución. A continuación, el precipitado fue separado magnéticamente y secado a 70 C ̊ durante 12 h. Por último, el material compuesto con propiedades magnéticas se disgregó y Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos __________________________________________________________________________________________________________________________ almacenó. Este proceso se realizó para todos los residuos lignocelulósicos (Cheng et al., 2012; Panneerselvam et al., 2011; Shah et al., 2015). 2.3. Caracterización de los materiales adsorbentes Para la composición química se consideró los porcentajes de lignina (ASTM D1106-96), extractivos (ASTM D1110-84, ASTM D1107-96), hemicelulosa (ASTM D1109-84) y el porcentaje de celulosa que se determinó por diferencia (Lee y Rowell, 2004). El análisis proximal de los residuos lignocelulósicos se realizó a partir de los porcentajes de humedad (ASTM D4442-07), cenizas (ASTM D1102-84), materia volátil (ASTM E872–82) y el porcentaje de carbón fijo determinado por diferencia (Bulut y Tez, 2007). La identificación de los grupos funcionales en la superficie de los residuos lignocelulósicos y de los materiales compuestos se analizó mediante Espectroscopia Infrarroja por Transformadas de Fourier en el equipo PerkinElmer Spectrum Spotlight 200 en un rango comprendido entre 4 000 – 500 cm-1. La morfología de las superficies y el tamaño de partícula de los materiales adsorbentes se determinaron con la ayuda de un microscopio electrónico de barrido (Tescan Mira 3) y un microscopio electrónico de transmisión (TECNAI, G2 Spirit Twin de FEI), respectivamente. Para la determinación de la estructura cristalina se empleó un difractómetro de rayos X (Panalytical Empyrean) con una fuente de Cu Kα a 40 kV y 40 mA en un rango 2θ de 10 a 90 ̊ (Cheng et al., 2012; Kapur y Mondal, 2015; Setyono y Valiyaveettil, 2014). 2.5. Isotermas de adsorción Se elaboraron las isotermas de adsorción para los tres materiales compuestos sintetizados con el tiempo de contacto y la cantidad de material adsorbente determinados previamente. Los ensayos consistieron en la adición del material compuesto en 100 mL de soluciones de 25, 50, 100, 150, 200 y 300 mg/L de zinc. Estas soluciones se sometieron a agitación constante de 150 min-1, a pH 6 y temperatura ambiente durante el tiempo de contacto determinado. Una vez transcurrido este tiempo, la suspensión fue filtrada y el sobrenadante se analizó para determinar la concentración residual de zinc. Para el estudio de las isotermas de adsorción, se emplearon los modelos de Langmuir y Freundlich en sus formas linealizadas, las cuales, se describen por las ecuaciones (4) y (5), respectivamente. %& ' =, * - .'/ (4) / * log q = 0 . logCe + logK 1 (5) Donde q es la cantidad de iones de zinc adsorbidos por cantidad de material adsorbente (mg/g), Ce es la concentración en el equilibrio de la solución tratada (mg/L), qm es la cantidad necesaria de iones para formar una monocapa alrededor del adsorbente (mg/g), KL representa la constante de Langmuir, KF y n son las constantes de la ecuación de Freundlich (Šćiban et al., 2007). 2.4. Estudios de adsorción Con el fin de determinar el tiempo de contacto se realizaron ensayos de remoción, en los que se adicionaron 0,5 g del material compuesto del residuo de laurel a 100 mL de una solución de 50 mg/L de zinc. La mezcla se agitó a 150 min-1 a temperatura ambiente en un equipo de agitación orbital durante 30, 45, 60, 120, 180, 240 y 300 min y se ajustó el pH a 6 con la adición de soluciones de NaOH o HCl 0,1 M. Al finalizar cada tiempo de contacto se decantó la suspensión con la ayuda de un imán y se filtró gravimétricamente a través de un papel filtro Whatman No. 2. A continuación, se analizó la concentración de zinc residual en el sobrenadante con un espectrofotómetro (HACH DR1900) según lo establecido en el método APHA 3500-Zn. Todos los ensayos fueron realizados por duplicado y se realizó el mismo procedimiento para los residuos de canelo y eucalipto (Cheng et al., 2012; Shah et al., 2015; Kapur y Mondal, 2015). * + ' . Ce 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Caracterización de los adsorbentes La Tabla 1 muestra la composición química en base seca de los residuos lignocelulósicos de: laurel, canelo y eucalipto. En la Tabla 2 se presenta el análisis proximal de las maderas empleadas en este estudio. De acuerdo con los resultados obtenidos, el constituyente mayoritario en todas las muestras analizadas corresponde a la holocelulosa (celulosa y hemicelulosa) que se encuentra entre el 62 y 75 % de los componentes totales. Los porcentajes de lignina obtenidos están en el rango entre 18 y 31 %, siendo el laurel el que presenta el mayor porcentaje, seguido por el canelo y por último el eucalipto. Los materiales inorgánicos presentes en los residuos lignocelulósicos que corresponden al porcentaje de cenizas están en un rango entre 0,25 y 1,38 %. Tabla 1. Composición química de los residuos lignocelulósicos Una vez determinado el tiempo de contacto, se analizó el efecto de la cantidad de material adsorbente. Para ello, se adicionaron 0,3; 0,5; 0,7 y 1,0 g de cada uno de los materiales adsorbentes a 100 mL de una solución de 50 mg/L de zinc. Esta mezcla se agitó a 150 min-1 durante el tiempo de contacto determinado anteriormente. Posteriormente, la suspensión fue filtrada y el sobrenadante se analizó con un espectrofotómetro (HACH DR1900) para determinar la concentración residual de zinc y de esta manera establecer el porcentaje de remoción (Bulut y Tez, 2007; Zach-Maor et al., 2011). Constituyentes/Maderas Laurel Canelo Eucalipto Celulosa (%) 50,20 53,49 58,44 Lignina (%) 31,84 28,28 18,28 Hemicelulosa (%) 12,76 12,45 16,01 Extractivos (%) 5,20 5,78 7,27 Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos __________________________________________________________________________________________________________________________ Tabla 2. Análisis proximal de los residuos lignocelulósicos Constituyentes/Maderas Materia Volátil (%) Carbón fijo (%) Cenizas (%) Humedad (%) Laurel 70,94 17,99 1,38 9,69 Canelo 78,70 12,93 0,16 8,21 Eucalipto 81,52 12,54 0,25 5,69 Estos resultados concuerdan con lo establecido por Rowell (2005), donde los mayores componentes químicos de la madera son los carbohidratos (celulosa y hemicelulosa) que se encuentran entre el 65 y 70 % y la lignina que varía entre el 18 y 35 %, mientras que, los materiales extractivos y el porcentaje de cenizas conforman entre el 4 y 10 %. Según los estudios realizados por Lee y Rowell (2004), la lignina juega un papel significativo en la remoción de metales pesados debido a la presencia de grupos fenólicos en su composición. Sin embargo, éste no es el factor predominante, puesto que, existen otros compuestos como la hemicelulosa que tienen en su composición grupos carboxílicos ionizables que contribuyen a la adsorción de los iones metálicos. En la Figura 1 se muestran los espectros FTIR de los residuos lignocelulósicos y sus respectivos materiales compuestos. Para los residuos lignocelulósicos de laurel, canelo y eucalipto se tienen bandas en 3 323, 3 341 y 3 322 cm-1 respectivamente, las cuales representan los estiramientos de enlaces O-H presentes en los grupos fenoles y alcoholes. De igual manera, las bandas en 2 895, 2 895 y 2 903 cm-1 representan los estiramientos de enlaces C-H de las cadenas alifáticas. A 1 733, 1 734 y 1 736 cm-1 se encuentra bandas correspondientes a grupos C=O y en el rango de 1 800 a 900 cm-1 se tiene la huella digital de los componentes principales de los residuos lignocelulósicos, es decir, la lignina y la celulosa. Se puede observar los picos característicos de la lignina para el laurel, canelo y eucalipto en las bandas de 1 502, 1 505 y 1 502 cm-1 respectivamente, estas corresponden a la vibración del esqueleto aromático del anillo de benceno. Las bandas que aparecen en 1 733, 1 734 y 1 736 cm-1 para el laurel, canelo y eucalipto, corresponden al grupo carbonilo representativo de la celulosa y hemicelulosa. Los picos entre 1 154 – 1 024 cm1 representan los estiramientos vibracionales de los grupos COH. Estos picos también se encuentran presentes en los espectros de los materiales compuestos con la adición de una banda a 577, 591 y 571 cm-1 para el laurel, canelo y eucalipto respectivamente, que representan los estiramientos vibracionales del enlace Fe-O de las nanopartículas de magnetita, esto demuestra la presencia de las nanopartículas de magnetita sobre la matriz lignocelulósica (Cheng et al., 2012; Panneerselvam et al., 2011; Sundrarajan et al., 2012). (a) (a*) cm-1 En la Figura 2 se muestra la micrografía MET de las nanopartículas de magnetita impregnadas en la matriz lignocelulósica. Se aprecia un aglomerado de tamaño superior a 50 nm con partículas de forma esférica y diámetros de partícula de aproximadamente 20 nm. Además, se observa que no presenta una distribución uniforme de tamaños de partícula. En los estudios realizados por Valenzuela et al. (2009) para la síntesis de nanopartículas de magnetita con variación de la velocidad de agitación, se obtuvieron partículas con un tamaño promedio entre 10 y 19 nm y una geometría que varía entre esférica y elíptica, similares a las obtenidas en este estudio. (b) En la Figura 3 se muestran las micrografías MEB de los residuos lignocelulósicos y de los materiales compuestos. (b*) cm-1 (c) (c*) -1 cm Figura 1. Espectros FTIR de (a) laurel, (a*) laurel + magnetita, (b) canelo, (b*) canelo + magnetita, (c) eucalipto y (c*) eucalipto + magnetita Figura 2. Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas en la matriz lignocelulósica Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos __________________________________________________________________________________________________________________________ (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 3. Micrografías MEB de: (a) eucalipto, (b) canelo, (c) laurel, (d) eucalipto + magnetita, (e) canelo + magnetita y (f) laurel + magnetita Las figuras (a), (b) y (c) muestran las superficies no homogéneas con secciones lisas y la presencia de fibras en el caso del canelo y el laurel. En las muestras (d), (e) y (f) se observan superficies rugosas debido a la presencia de las nanopartículas de magnetita, las cuales, se encuentran recubriendo las superficies de los residuos lignocelulósicos. Además, se observa la presencia de aglomerados de diversos tamaños y formas irregulares que se forman debido a las propiedades magnéticas de las nanopartículas y a la elevada área superficial (Zhang et al., 2004). En los patrones de rayos X se observan picos a 30,0 ;̊ 35,5 ̊; 43,0 ̊; 53,5 ;̊ 57,0 ̊; 62,5 ̊ correspondientes a los índices (220), (311), (400), (422), (511) y (440) que son propios de una estructura de espinel cúbico de la magnetita (Petcharoen y Sirivat, 2012). Con base en estos resultados, se puede comprobar la presencia de magnetita en el material compuesto, lo cual corrobora los resultados obtenidos en las micrografías MEB. Este mismo comportamiento se observa para los materiales compuestos de canelo y eucalipto. 3.2. Estudios de adsorción La Figura 4 muestra los patrones de difracción de rayos X de la magnetita y del material compuesto con matriz de laurel. (a) (b) Figura 4. Patrón de difracción de rayos X de: (a) laurel + magnetita y (b) nanopartículas de magnetita La Figura 5 muestra el efecto del tiempo de contacto de los materiales compuestos con la solución de zinc tratada. Inicialmente, se aprecia que las tres variedades de residuos lignocelulósicos muestran un mismo comportamiento para la remoción de zinc. Es decir, en los primeros minutos existe una tasa elevada de remoción, sin embargo a partir de los 60 minutos esta tasa decrece significativamente. Según Zhang et al. (2013) durante los primeros minutos, el adsorbente presenta una gran cantidad de sitios activos libres, y conforme avanza el proceso de adsorción son ocupados por los iones de zinc. Además, generan fuerzas repulsivas hacia los iones aún presentes en la solución tratada lo que dificulta el aprovechamiento de todos los sitios activos en la superficie del adsorbente. Se establece además que el material compuesto de laurel permite obtener el mayor porcentaje de remoción, seguido por el canelo y finalmente el eucalipto. Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos __________________________________________________________________________________________________________________________ 100 Remoción (%) 80 97,20 60 40 20 Canelo Eucalipto Laurel 0 0 30 45 60 120 180 240 300 Tiempo (min) Figura 5. Efecto del tiempo de contacto en la remoción de zinc con materiales compuestos (volumen de solución 100 mL; concentración 50 mg/L; cantidad de adsorbente 0,5 g; pH 6; velocidad de agitación 150 min-1) Cabe recalcar, que estos resultados concuerdan con el porcentaje de lignina mostrado en la Tabla 1. Por lo tanto, se puede establecer que uno de los factores que intervienen en la remoción de zinc es la cantidad de lignina presente en la matriz del material compuesto. Se observa que a partir de los 60 minutos el porcentaje de remoción alcanzado para los tres materiales compuestos supera el 95 % y que a partir de los 180 minutos este valor se mantiene en 97 %, lo que indica que se alcanzó el equilibrio en la remoción. Por lo tanto, para los siguientes ensayos se consideró un tiempo de contacto de 180 minutos. La Figura 6 muestra el efecto de la cantidad de residuo lignocelulósico en la remoción de zinc de soluciones sintéticas. Se observa que para las 3 variedades de residuo lignocelulósico se tiene la misma tendencia, además, el tipo de residuo lignocelulósico y la cantidad de adsorbente influyen directamente en la eficiencia de la adsorción. También, se muestra que al emplear 1 g de material adsorbente se alcanza la máxima remoción y que el mayor valor obtenido correspondiente al 60,98 % se logra al emplear los residuos de laurel, ya que este presenta en su estructura un mayor contenido de lignina y por ende una mayor cantidad de grupos funcionales. Este comportamiento, se debe a que el pH de la solución provoca que los grupos funcionales se deprotonen y a consecuencia de ello la superficie de los residuos lignocelulósicos se carga negativamente y de esta manera se genera un intercambio iónico entre los cationes de zinc y los grupos funcionales (Wan, W. y Hanafiah, 2008). En la Figura 7 se muestra la influencia de la cantidad de material compuesto en la remoción de zinc de soluciones sintéticas. Se observa que se alcanza una máxima remoción de 98,95; 98,80 y 97,60 % para laurel, canelo y eucalipto, respectivamente, con el empleo de 7 g/L de material adsorbente. Además, se puede observar que con 10 g/L de adsorbente el porcentaje de remoción obtenido no se incrementa. Esto se debe a que al emplear mayores cantidades de material compuesto, existe una mayor disputa de los sitios activos disponibles. Asimismo, el número de aglomerados se incrementa cuando se tiene mayor cantidad de material adsorbente, lo cual, provoca que la trayectoria de difusión sea mayor y se dificulte el proceso de adsorción. Por lo tanto, no se justifica trabajar con valores superiores a 7 g/L de adsorbente (Shukla et al., 2002). Al comparar los resultados obtenidos en la remoción de zinc entre los residuos lignocelulósicos y los materiales compuestos se observa que para el caso del laurel, el porcentaje de remoción aumenta del 60,98 al 98,95 %. Esto ocurre debido a la presencia de las nanopartículas de magnetita en la matriz lignocelulósica, las cuales, incrementan de manera considerable el área superficial como resultado de su tamaño de partícula. Adicionalmente, los átomos de Fe y O presentes en la superficie de las nanopartículas absorben radicales OHde la solución lo que provoca que su superficie se vuelva rica en grupos OH-, esto genera un incremento de las interacciones entre estos grupos y los iones metálicos en la solución, lo que hace más eficiente el proceso de remoción (Nethaji et al., 2013). De acuerdo con los resultados obtenidos al emplear los residuos lignocelulósicos y los materiales compuestos, se aprecia que existe una misma tendencia para la remoción de zinc en función del porcentaje de lignina. Es decir, el material que presenta en su estructura un mayor porcentaje de lignina, alcanza un mayor porcentaje de remoción. 98,87 60,98 Figura 6. Efecto de la cantidad de los residuos lignocelulósicos en la remoción de zinc (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h) Figura 7. Efecto de la cantidad de material compuesto en la remoción de zinc (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h) Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos __________________________________________________________________________________________________________________________ En la Tabla 3 se presentan los parámetros de las isotermas de Freundlich y Langmuir para los tres materiales compuestos obtenidos. Tabla 3. Parámetros de las Isotermas de adsorción para la remoción de zinc con los materiales compuestos Los resultados obtenidos en la remoción de zinc muestran que para un tiempo de contacto de 3 h y una cantidad de adsorbente de 7 g/L se alcanza un máximo porcentaje de remoción correspondiente al 98,95; 98,80 y 97,61 % mediante el uso de los materiales compuestos de laurel, canelo y eucalipto, respectivamente. Parámetros Freundlich Parámetros Langmuir Materiales Compuestos KF n R2 KL 3 4 56 7 qm 3 56 6 7 R2 Laurel 15,524 0,782 0,988 0,339 28,653 0,975 Canelo 11,387 0,687 0,982 0,319 21,459 0,930 Eucalipto 6,053 0,440 0,974 0,401 8,217 0,986 En primer lugar, los coeficientes de correlación calculados, para el laurel y el canelo, indican que el modelo que mejor se ajusta al proceso de adsorción es el de Freundlich. Por lo tanto, se establece una adsorción multicapa sobre una superficie heterogénea. Mientras que, para el eucalipto el proceso de remoción se ajusta al modelo de Langmuir, lo que indica una adsorción monocapa sobre un adsorbente de superficie homogénea (Afkhami et al., 2010). Una adsorción en monocapa implica que la superficie es energéticamente homogénea y la cantidad de zinc adsorbida en cada sitio activo de la superficie es la misma. Mientras que, la adsorción en multicapa se caracteriza por tener una superficie energéticamente heterogénea en la cual, los sitios activos presentan una diferente capacidad de adsorción para una misma superficie. Por esta razón, es necesario buscar técnicas que permitan incrementar la capacidad de adsorción del material tales como: la obtención de nanopartículas de menor tamaño que generen una mayor área superficial, el empleo de tensoactivos que eviten o disminuyan la formación de aglomeraciones, modificaciones en la matriz para obtener sitios activos más homogéneos. De acuerdo con los valores de la capacidad máxima de remoción (qm) para la isoterma de Langmuir, se tiene que el material compuesto de laurel presenta la máxima capacidad de remoción, seguida del canelo y por último el eucalipto. Esto corrobora los resultados obtenidos en este estudio y se comprueba además la influencia de la cantidad de lignina presente en la matriz lignocelulósica. Afkhami et al. (2010) establecen que para la isoterma de Freundlich, a mayores valores de n y KF se favorece el fenómeno de adsorción. Por esta razón al emplear el laurel como matriz del material compuesto se alcanzaron los mayores porcentajes de remoción de zinc. 4. CONCLUSIONES La caracterización del material reportó que los residuos de laurel, canelo y eucalipto presentan en su composición un porcentaje de lignina de 31,84; 28,28 y 18,28 %, respectivamente y celulosa con valores de 50,20; 53,49 y 58,44 %. Mediante los análisis de DRX, FTIR, MET y MEB se demostró que se obtuvieron nanopartículas de magnetita con diámetros de partícula inferiores a 50 nm y que efectivamente están impregnadas en las matrices lignocelulósicas. Los materiales compuestos obtenidos a partir de la impregnación de nanopartículas de magnetita en las matrices lignocelulósicas de laurel, canelo y eucalipto muestran un incremento en la remoción de zinc del 79,68; 172,25 y 282,18 % con respecto a sus correspondientes residuos lignocelulósicos. Los parámetros resultantes de las isotermas de adsorción mostraron que los materiales compuestos de laurel y canelo se ajustan al modelo de Freundlich, mientras que el eucalipto se ajusta al modelo de Langmuir. Las capacidades máximas de remoción (qm) para los materiales compuestos de laurel, canelo y eucalipto fueron de 28,65; 21,46 y 8,22 mg/g, respectivamente. 5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Abdolali, A., Guo, W., Ngo, H., Chen, S., Nguyen, N. y Tung, K. (2014). Typical lignocellulosic wastes and by-products for biosorption process in water and wastewater treatment: A critical review. 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Tabla FTI. 1 Valores del porcentaje de humedad del aserrín de laurel Muestra 1 Peso inicial del aserrín (g) Peso del aserrín seco (g) Humedad (%) 9,5251 2,0019 1,8278 2 2,0021 1,8297 9,4223 3 2,0014 1,8245 9,6958 4 2,0019 1,8242 9,7413 5 2,0009 1,8214 9,8551 6 2,0087 1,8333 9,5674 7 2,0017 1,8217 9,8809 8 2,0015 1,8240 9,7314 89:;5<>?> = 1] (@ABA9DEDFDAGI@ABA9BJFA) @ABA9BJFA × LNN9 Ejemplo de cálculo: 89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9(UVWX#UVYZ#UV[N#UV[Y#UV\]#UVW[#UV\\#UV[X) \ 89:;5<>?>9PQS5<>TS = ^V_`ab8 [FT I. 11 Tabla FTI. 2 Valores del porcentaje de humedad del aserrín de canelo Muestra 1 Peso inicial del aserrín (g) Peso del aserrín seco (g) Humedad (%) 2,0060 2,0060 8,4324 2 2,0040 2,0040 8,7594 3 2,0010 2,0010 8,0454 4 2,0010 2,0010 7,9870 5 2,0005 2,0005 8,1585 6 2,0024 2,0024 8,1151 7 2,0046 2,0046 8,0763 8 2,0022 2,0022 8,1043 Ejemplo de cálculo: 89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9(\VYX#\V[]#\VNW#[VUU#\VL]#\VLZ#\VN\#\VLN) \ 89:;5<>?>9PQS5<>TS = `V2c^`8 Tabla FTI. 3 Valores del porcentaje de humedad del aserrín de eucalipto Muestra 1 Peso inicial del aserrín (g) Peso del aserrín seco (g) Humedad (%) 2,0027 1,8979 5,5219 2 2,0014 1,8942 5,6594 3 2,0061 1,8953 5,8460 4 2,0049 1,8915 5,9952 5 2,0068 1,8975 5,7602 6 2,0040 1,8933 5,2134 7 2,0093 1,8958 5,9869 8 2,0037 1,8985 5,5412 Ejemplo de cálculo: 89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9(WVWZ#WV]W#WV\Y#WVUU#WV[]#WV\Y#WVU\#WVWY) \ 89:;5<>?>9PQS5<>TS = dV_^cd8 12 FICHA TÉCNICA II DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE LOS COMPONENTES VOLÁTILES DE LOS RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS El objetivo de este análisis es determinar el porcentaje de productos gaseosos presentes en los residuos lignocelulósicos. El procedimiento se realizó con base en la norma ASTM E872-82 “La materia volátil en el análisis de los combustibles de madera particulados”. Tabla FTII. 2 Valores del porcentaje de los componentes volátiles del aserrín de laurel Peso inicial (g) Peso final (g) Peso crisol (g) Masa perdida (%) Materia volátil (%) 34,8830 33,2521 32,8595 80,5980 70,9079 34,8841 33,2511 32,8595 80,6579 70,9678 (@ABA9DEDFDAGI@ABA9iDEAG) 89f?h?9P<Q>T>? = (@ABA9DEDFDAGI@ABA9FjDBkG) × LNN9 II. 2] 89f?m<QT?9nSpámTp = 8rABA9sJjtDtA ! 8uv@JtAt9 [FT II. 2] Ejemplo de Cálculo: 89f?h?9P<Q>T>? = (wbV``wc ! wwV2d2x) × xcc (wbV``wc ! w2V`d^d) 89f?h?9P<Q>T>? = `cVd^`c8 89f?m<QT?9nSpámTp = `cVd^`c ! ^V_`ab 89f?m<QT?9nSpámTp = [NV UN[U8 89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9([NV UN[U + [NV U][\) Z 89:;5<>?>9PQS5<>TS = acV^wa^8 [FT 13 Tabla FTII. 2 Valores del porcentaje de los componentes volátiles del aserrín de canelo Peso inicial (g) Peso final (g) Peso crisol (g) Masa perdida (%) Materia volátil (%) 36,6073 34,8165 34,5481 86,9658 78,7561 34,1914 32,4405 32,1754 86,8502 78,6405 Ejemplo de Cálculo: 89f?h?9P<Q>T>? = (w_V_caw ! wbV`x_d) × xcc (wbVx^xb ! w2Vbbcd) 89f?h?9P<Q>T>? = `_V^_d`8 89f?m<QT?9nSpámTp = `_V^_d` ! `V2c^` 89f?m<QT?9nSpámTp = [\V [W]L8 89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9([\V [W]L + [\V ]YNW) Z 89:;5<>?>9PQS5<>TS = a`V_^`w8 Tabla FTII. 3 Valores del porcentaje de los componentes volátiles del aserrín de eucalipto Peso inicial (g) Peso final (g) Peso crisol (g) Masa perdida (%) Materia volátil (%) 36,9680 35,2093 34,9432 86,8580 81,1639 35,8793 34,1286 33,8656 86,9395 81,2454 Ejemplo de Cálculo: 89f?h?9P<Q>T>? = (w_V^_`c ! wdV2c^w) × xcc (w_V^_`c ! wbV^bw2) 89f?h?9P<Q>T>? = `_V`d`c8 89f?m<QT?9nSpámTp = `_V`d`c ! dV_^cd 89f?m<QT?9nSpámTp = \LV L]XU8 89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9(\LV L]XU + \LV ZYWY) Z 89:;5<>?>9PQS5<>TS = `xVd2xb8 14 FICHA TÉCNICA III DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CENIZAS DE LOS RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS El objetivo de este análisis es determinar la cantidad aproximada del contenido de minerales y otras materias inorgánicas presentes en los residuos lignocelulósicos. El procedimiento se realizó con base en la norma ASTM D1102-84 “Método de prueba estándar para la ceniza en la madera”. Tabla FTIII. 1 Valores del porcentaje de cenizas del aserrín de laurel No. muestra Peso aserrín (g) Peso aserrín seco (g) Peso cenizas (g) Cenizas (%) 1 2,0017 1,8217 0,0248 1,3614 2 2,0015 1,8240 0,0255 1,3980 89y<zT{?h = |<hS9}<zT{?h |<hS95;<hmQ?9h<}? × LNN9 Ejemplo de Cálculo: 89~ = cVc2b` × xcc xV`2xa 89~ = xVw_xb8 89y<zT{?h9 = 9(xVw_xb + xVw^`c) Z 89y<zT{?h9 = xVwa^a8 [FT III. 3] 15 Tabla FTIII. 2 Valores del porcentaje de cenizas del aserrín de canelo No. muestra Peso aserrín (g) Peso aserrín seco (g) Peso cenizas (g) Cenizas (%) 1 2,0005 1,8496 0,0029 0,1568 2 2,0024 1,8521 0,0032 0,1728 Ejemplo de Cálculo: 89~ = cVcc2^ × xcc xV`b^_ 89~ = cVxd_`8 89y<zT{?h9 = 9(cVxd_` + cVxa2`) Z 89y<zT{?h9 = cVx_w`8 Tabla FTIII. 2 Valores del porcentaje de cenizas del aserrín de eucalipto No. muestra Peso aserrín (g) Peso aserrín seco (g) Peso cenizas (g) Cenizas (%) 1 2,0093 1,8958 0,0049 0,2585 2 2,0037 1,8985 0,0047 0,2476 Ejemplo de Cálculo: 89~ = cVccb^ × xcc xV`bd` 89~ = cV2d`d8 89y<zT{?h9 = 9(cV2d`d + cV2da_) Z 89y<zT{?h9 = cV2dwc8 16 FICHA TÉCNICA IV DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE COMPONENTES EXTRACTIVOS EN LOS RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS El objetivo de este análisis es determinar el contenido de componentes extractivos como taninos, azúcares, gomas, almidón, resinas, grasas y aceites que se encuentran presentes en los residuos lignocelulósicos. El procedimiento se realizó con base en las normas ASTM D1107-96 y ASTM D1110-84 “Método de prueba estándar para la materia soluble en etanol – tolueno de la madera” y “Método de prueba estándar para la materia soluble en agua de la madera”, respectivamente. Tabla FTIV. 1 Porcentaje de materia soluble en etanol-benceno del aserrín de laurel No. Muestra 1 Peso aserrin (g) 2,0053 Aserrin seco (g) 1,8112 Peso extracto seco (g) 0,0464 Materia soluble en etanolbenceno (%) 2,5617 2 2,0017 1,8080 0,0435 2,4059 Tabla FTIV. 2 Porcentaje de materia soluble en agua del aserrín de laurel No. Muestra 1 Peso aserrín (g) 2,0014 Peso aserrín seco (g) 1,8245 Peso extracto seco (g) 1,7789 Materia soluble en agua (%) 2,4993 2 2,0019 1,8242 1,7707 2,9328 Tabla FTIV. 3 Porcentaje de materia soluble en etanol-benceno del aserrín de canelo No. Muestra 1 Peso aserrín (g) 2,0012 Peso aserrín seco (g) 1,8369 Peso extracto seco (g) 0,0276 Materia soluble en etanolbenceno (%) 1,5025 2 2,0045 1,8399 0,0311 1,6903 17 Tabla FTIV. 4 Porcentaje de materia soluble en agua del aserrín de canelo No. Muestra 1 Peso aserrín (g) 2,001 Peso aserrín seco (g) 1,852 Peso extracto seco (g) 1,774 Materia soluble en agua (%) 4,2117 2 2,001 1,853 1,776 4,1554 Tabla FTIV. 5 Porcentaje de materia soluble en etanol-benceno del aserrín de eucalipto No. Muestra 1 Peso aserrin (g) 2,0066 Aserrin seco (g) 1,8924 Peso extracto seco (g) 0,0466 Materia soluble en etanolbenceno (%) 2,4625 2 2,0039 1,8899 0,0478 2,5293 Tabla FTIV. 6 Porcentaje de materia soluble en agua del aserrín de eucalipto No. Muestra 1 Peso aserrín (g) 2,0061 Peso aserrín seco (g) 1,8953 Peso extracto seco (g) 1,8048 Materia soluble en agua (%) 4,7750 2 2,0049 1,8915 1,8052 4,5625 (|<hS95;<hmQ?9h<}?I|<hS9<mQ?}mS) 89f?m<QT?9hSp;p<9<z9?6;? = IV. 4] |<hS95;<hmQ?9h<}? × LNN Ejemplo de Cálculo: 89f?m<QT?9hSp;p<9<z9?6;? = (xV`^dw ! xV`cb`) × LNN xV`^dw 899f?m<QT?9hSp;p<9<z9?6;? = bVaadc8 899f?m<QT?9hSp;p<9<z9?6;?9PQS5<>TS = 9(bVaadc + bVd_2d) Z 899f?m<QT?9hSp;p<9<z9?6;?9PQS5<>TS = bV__`a8 [FT 18 FICHA TÉCNICA V DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE LIGNINA EN LOS RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS El objetivo de este análisis es determinar el contenido de lignina insoluble en ácido en los residuos lignocelulósicos. El procedimiento se realizó con base en la norma ASTM D1106-96 “Método de prueba estándar para la lignina insoluble en ácido en la madera”. Tabla FTV. 1 Valores del porcentaje de lignina del aserrín de laurel No. Muestra Peso aserrin (g) Aserrin seco (g) Peso Lignina (g) Lignina (%) 1 2,0053 1,8112 0,5664 31,2714 2 2,0017 1,8080 0,5858 32,4006 Tabla FTV. 2 Valores del porcentaje de lignina del aserrín de canelo No. Muestra Peso aserrin (g) Aserrin seco (g) Peso Lignina (g) Lignina (%) 1 2,0012 1,8369 0,5091 27,7151 2 2,0045 1,8399 0,5306 28,8380 Tabla FTV. 3 Valores del porcentaje de lignina del aserrín de eucalipto No. Muestra Peso aserrin (g) Aserrin seco (g) Peso Lignina (g) Lignina (%) 1 2,0066 1,8924 0,3434 18,1461 2 2,0039 1,8899 0,3739 19,7845 894T6zTz? = V. 5] (|<hS9<mQ?}mS) |<hS95;<hmQ?9h<}? × LNN [FT 19 Ejemplo de Cálculo: 894T6zTz? = cVd__b × LNN xV`xx2 894T6zTz? = wxV2axb8 894T6zTz?9PQS5<>TS = 9(wxV2axb + w2Vbcc_) Z 894T6zTz?9PQS5<>TS = wxV`w_c8 20 FICHA TÉCNICA VI DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HEMICELULOSA EN LOS RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS El objetivo de este análisis es determinar los componentes solubles en una solución alcali, la cual permitirá la extracción de carbohidratos de bajo peso molecular, principalmente hemicelulosa. El procedimiento se realizó con base en la norma ASTM 1109-84 “Método de prueba estándar para la solubilidad de la madera en hidróxido de sodio al 1%”. Tabla FTVI. 1 Valores del porcentaje de hemicelulosa del aserrín de laurel No. Muestra 1 2 Peso aserrín (g) 2,0009 2,0087 Peso aserrin seco (g) 1,8214 1,8333 Peso extracto (g) 1,5892 1,5992 Hemicelulosa (%) 12,7484 12,7693 Tabla FTVI. 2 Valores del porcentaje de hemicelulosa del aserrín de canelo Muestra No. 1 2 Peso aserrín (g) 2,0046 2,0022 Peso aserrín seco (g) 1,8548 1,8521 Peso extracto (g) 1,6185 1,6268 Hemicelulosa (%) 12,7399 12,1646 Tabla FTVI. 3 Valores del porcentaje de hemicelulosa del aserrín de eucalipto No. Muestra 1 2 Peso aserrin (g) 2,0068 2,0040 Peso aserrín seco (g) 1,8975 1,8933 89:<5T}<p;pSh? = Peso extracto (g) 1,5900 1,5937 (|<hS95;<hmQ?9h<}?I|<hS9<mQ?}mS) |<hS95;<hmQ?9h<}? VI. 6] Hemicelulosa (%) 16,2055 15,8242 × LNN [FT 21 Ejemplo de Cálculo: 89:<5T}<p;pSh? = (xV`^ad ! xVd^cc) × LNN xV`^ad 89:<5T}<p;pSh? = x_V2cdd8 89:<5T}<p;pSh?9PQS5<>TS = 9(x_V2cdd + xdV`2b2) Z 89:<5T}<p;pSh?9PQS5<>TS = x_Vcxb`8 22 FICHA TÉCNICA VII ESPECTROSCOPIA INFRARROJA POR TRANSFORMADAS DE FOURIER (FTIR) El objetivo de este análisis es determinar los grupos funcionales presentes en la superficie de los residuos lignocelulósicos y de los materiales compuestos. Figura FT VII.1 Espectro IR de residuos lignocelulósicos de canelo 23 Figura FT VII.2 Espectro IR de canelo + nanopartículas de magnetita Figura FT VII.3 Comparación espectros IR de canelo y canelo + nanopartículas de magnetita 24 Figura FT VII.4 Espectro IR de residuos lignocelulósicos de eucalipto Figura FT VII.5 Espectro IR de eucalipto + nanopartículas de magnetita 25 Figura FT VII.6 Comparación espectros IR de eucalipto y eucalipto + nanopartículas de magnetita Figura FT VII.7 Espectro IR de residuos lignocelulósicos de laurel 26 Figura FT VII.8 Espectro IR de laurel + nanopartículas de magnetita Figura FT VII.9 Comparación espectros IR de laurel y laurel + nanopartículas de magnetita 27 FICHA TÉCNICA VIII MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN (MET) El objetivo de este análisis es determinar el tamaño de partícula de las nanopartículas de magnetita y de las nanopartículas de magnetita en los materiales compuestos. Figura FT VIII.1 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita 28 Figura FT VIII.2 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita Figura FT VIII.3 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas en la matriz lignocelulósica de canelo 29 Figura FT VIII.4 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas en la matriz lignocelulósica de canelo Figura FT VIII.5 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas en la matriz lignocelulósica de eucalipto 30 Figura FT VIII.6 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas en la matriz lignocelulósica de eucalipto Figura FT VIII.7 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas en la matriz lignocelulósica de laurel 31 Figura FT VIII.8 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas en la matriz lignocelulósica de laurel 32 FICHA TÉCNICA IX MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB) El objetivo de este análisis es observar la microestructura de los residuos lignocelulósicos y de los materiales compuestos y establecer comparaciones entre los mismos. Figura FT IX.1 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de laurel magnificación 150X 33 Figura FT IX.2 Micrografía MEB de laurel + nanopartículas de magnetita magnificación 150X Figura FT IX.3 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de laurel magnificación 1000X 34 Figura FT IX.4 Micrografía MEB de laurel + nanopartículas de magnetita magnificación 1000X Figura FT IX.5 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de laurel magnificación 2000X 35 Figura FT IX.6 Micrografía MEB de laurel + nanopartículas de magnetita magnificación 2000X Figura FT IX.7 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de canelo magnificación 100X 36 Figura FT IX.8 Micrografía MEB de canelo + nanopartículas de magnetita magnificación 100X Figura FT IX.9 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de canelo magnificación 500X 37 Figura FT IX.10 Micrografía MEB de canelo + nanopartículas de magnetita magnificación 600X Figura FT IX.11 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de canelo magnificación 1000X 38 Figura FT IX.12 Micrografía MEB de canelo + nanopartículas de magnetita magnificación 1000X Figura FT IX.13 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de eucalipto magnificación 100X 39 Figura FT IX.14 Micrografía MEB de eucalipto + nanopartículas de magnetita magnificación 100X Figura FT IX.15 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de eucalipto magnificación 500X 40 Figura FT IX.16 Micrografía MEB de eucalipto + nanopartículas de magnetita magnificación 500X Figura FT IX.17 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de eucalipto magnificación 1000X 41 Figura FT IX.18 Micrografía MEB de eucalipto + nanopartículas de magnetita magnificación 500X 42 FICHA TÉCNICA X DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX) El objetivo de este análisis es determinar la estructura cristalina de la magnetita presente en los materiales compuestos. Figura FT X.1 Patrón de difracción de Rayos X de las nanopartículas de magnetita 43 Figura FT X.2 Patrón de difracción de Rayos X de canelo + nanopartículas de magnetita Figura FT X.3 Patrón de difracción de Rayos X de eucalipto + nanopartículas de magnetita Figura FT X.4 Patrón de difracción de Rayos X de laurel + nanopartículas de magnetita 44 Figura FT X.5 Comparación de patrones de difracción de Rayos X de residuos lignocelulósicos + nanopartículas de magnetita 45 FICHA TÉCNICA XI DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE CONTACTO El objetivo de este análisis es determinar el tiempo de contacto que permita alcanzar la mayor remoción de zinc de soluciones sintéticas con el empleo de los diferentes materiales compuestos. Tabla FTXI.1 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de canelo (volumen de solución 100 mL; concentración 50 mg/L; cantidad de adsorbente 0,5 g; pH 6; velocidad de agitación 150 min-1) Tiempo (min) Zinc (mg/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio Remoción (%) 0 50 50 50 0 30 33,12 31,85 32,49 35,03% 45 10,43 12,16 11,30 77,41% 60 2,23 2,08 2,16 95,69% 120 1,91 1,88 1,90 96,21% 180 1,65 1,73 1,69 96,62% 240 1,45 1,51 1,48 97,04% 300 1,40 1,43 1,42 97,17% Tabla FTXI.2 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de eucalipto (volumen de solución 100 mL; concentración 50 mg/L; cantidad de adsorbente 0,5 g; pH 6; velocidad de agitación 150 min-1) Tiempo (min) Zinc (mg/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio Remoción (%) 0 50 50 50 0 30 35,16 33,87 34,52 30,97 45 16,32 15,63 15,98 68,05 60 2,82 2,44 2,63 94,74 120 2,11 2,30 2,21 95,59 180 1,97 1,89 1,93 96,14 240 1,62 1,56 1,59 96,82 300 1,45 1,48 1,47 97,04 46 Tabla FTIX.3 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de laurel (volumen de solución 100 mL; concentración 50 mg/L; cantidad de adsorbente 0,5 g; pH 6; velocidad de agitación 150 min-1) Tiempo (min) Zinc (mg/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio Remoción (%) 0 50 50 50 0 30 31,27 29,64 30,46 39,09 45 7,03 8,17 7,60 84,80 60 1,78 1,76 1,77 96,46 120 1,57 1,56 1,57 96,87 180 1,23 1,32 1,28 97,45 240 1,18 1,09 1,14 97,73 300 0,96 0,78 0,87 98,26 47 FICHA TÉCNICA XII DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE MATERIAL ADSORBENTE El objetivo de este análisis es determinar la cantidad de residuos lignocelulósicos y de materiales compuestos necesaria para la mayor remoción de zinc de soluciones sintéticas. Tabla FTXII.1 Datos de concentración residual de zinc con residuos lignocelulósicos de canelo (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h) Zinc (mg/L) Cantidad de Remoción (%) adsorbente (g/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio 3 39 37,56 38,28 21,88 5 37 35,46 36,23 26,06 7 31 32,71 31,86 34,99 10 27 25,91 26,46 46,01 Tabla FTXII.2 Datos de concentración residual de zinc con residuos lignocelulósicos de eucalipto (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h) Zinc (mg/L) Cantidad de Remoción (%) adsorbente (g/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio 3 44 42,33 43,17 11,91 5 41 39,25 40,13 18,11 7 36,5 37,96 37,23 24,02 10 33 32,36 32,68 33,31 48 Tabla FTXII.3 Datos de concentración residual de zinc con residuos lignocelulósicos de laurel (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h) Zinc (mg/L) Cantidad de Remoción (%) adsorbente (g/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio 3 34 34,89 34,45 29,70 5 30 31,82 30,91 36,92 7 23 21,93 22,47 54,15 10 20 18,24 19,12 60,98 Tabla FTXII.4 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de canelo (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h) Zinc (mg/L) Cantidad de Remoción (%) adsorbente (g/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio 3 1,77 1,62 1,70 96,61 5 1,16 1,03 1,10 97,81 7 0,58 0,62 0,60 98,80 10 0,63 0,76 0,70 98,61 Tabla FTXII.5 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de eucalipto (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h) Zinc (mg/L) Cantidad de Remoción (%) adsorbente (g/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio 3 1,83 2,11 1,97 96,06 5 1,45 1,39 1,42 97,16 7 1,14 1,25 1,20 97,61 10 1,11 1,21 1,16 97,68 49 Tabla FTXII.6 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de laurel (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h) Zinc (mg/L) Cantidad de Remoción (%) adsorbente (g/L) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio 3 1,52 1,55 1,535 96,93 5 0,96 0,93 0,945 98,11 7 0,53 0,52 0,525 98,95 10 0,55 0,53 0,54 98,92 50 FICHA TÉCNICA XIII ELABORACIÓN DE LAS ISOTERMAS DE ADSORCIÓN El objetivo es determinar el modelo de adsorción al cual se ajustan de mejor manera los materiales compuestos obtenidos. En primer lugar se empleó la forma linealizada de Langmuir que se describe en la ecuación FT XIII.1 %& ' =, * - .'/ * + ' . Ce [FT XIII.1] / Donde q es la cantidad de iones de zinc adsorbidos por cantidad de material adsorbente (mg/g), Ce es la concentración en el equilibrio de la solución tratada (mg/L), qm es la cantidad necesaria de iones para formar una monocapa alrededor del adsorbente (mg/g), KL representa la constante de Langmuir. En las tablas FTXII.1, FTXIII.2 y FTXIII.3 se presentan los datos necesarios para determinar los parámetros de adsorción de Langmuir de los materiales compuestos empleados, canelo, eucalipto y laurel respectivamente. Tabla FTXIII.1 Datos requeridos para la determinación de los parámetros de adsorción de Langmuir para canelo + nanopartículas de magnetita. Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m ads (g) 1/q 1/Ce 25 0,49 3,50 0,7006 0,2858 2,0408 50 0,62 7,05 0,7007 0,1419 1,6129 100 1,21 14,11 0,7003 0,0709 0,8264 150 1,61 21,18 0,7007 0,0472 0,6211 200 1,85 28,28 0,7007 0,0353 0,5405 300 2,39 42,47 0,7008 0,0235 0,4184 51 Tabla FTXIII.2 Datos requeridos para la determinación de los parámetros de adsorción de Langmuir para eucalipto + nanopartículas de magnetita. Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m ads (g) 1/q 1/Ce 25 0,74 3,46 0,7019 0,2893 1,3513 50 1,19 6,97 0,7005 0,1435 0,8403 100 1,50 14,03 0,702 0,0712 0,6667 150 1,65 21,15 0,7014 0,0473 0,6061 200 1,87 28,21 0,7023 0,0354 0,5346 300 2,37 42,43 0,7015 0,0236 0,4219 Tabla FTXIII.3 Datos requeridos para la determinación de los parámetros de adsorción de Langmuir para laurel + nanopartículas de magnetita. Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m ads (g) 1/q 1/Ce 25 0,34 3,52 0,7008 0,2841 2,9411 50 0,53 7,06 0,7003 0,1415 1,8867 100 0,82 14,15 0,7007 0,0706 1,2195 150 1,23 21,21 0,7013 0,0471 0,8130 200 1,74 28,22 0,7026 0,0354 0,5747 300 2,23 42,52 0,7003 0,0235 0,4484 Posteriormente, se empleó la forma linealizada de Freundlich que se describe en la ecuación FT XIII.2 * log q = 0 . logCe + logK 1 [FT XIII.2] Donde q es la cantidad de iones de zinc adsorbidos por cantidad de material adsorbente (mg/g), Ce es la concentración en el equilibrio de la solución tratada (mg/L), qm es la cantidad necesaria de iones para formar una monocapa alrededor del adsorbente (mg/g), KF y n son las constantes de la ecuación de Freundlich En las tablas FTXII.4, FTXIII.5 y FTXIII.6 se presentan los datos necesarios para determinar los parámetros de adsorción de Freundlich de los materiales compuestos empleados, canelo, eucalipto y laurel respectivamente. 52 Tabla FTXIII.4 Datos requeridos para la determinación de los parámetros de adsorción de Freundlich para canelo + nanopartículas de magnetita. Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m Ads (g) log q log Ce 25 0,49 3,50 0,7006 0,5438 -0,3098 50 0,62 7,05 0,7007 0,8480 -0,2076 100 1,21 14,11 0,7003 1,1494 0,0828 150 1,61 21,18 0,7007 1,3259 0,2068 200 1,85 28,28 0,7007 1,4515 0,2672 300 2,39 42,47 0,7008 1,6280 0,3783 Tabla FTXIII.5 Datos requeridos para la determinación de los parámetros de adsorción de Freundlich para eucalipto + nanopartículas de magnetita. Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m ads (g) log q log Ce 25 0,74 3,46 0,7019 0,5386 -0,1307 50 1,19 6,97 0,7005 0,8431 0,0755 100 1,50 14,03 0,702 1,1470 0,1761 150 1,65 21,15 0,7014 1,3253 0,2175 200 1,87 28,21 0,7023 1,4504 0,2718 300 2,37 42,43 0,7015 1,6276 0,3747 Tabla FTXIII.6 Datos requeridos para la determinación de los parámetros de adsorción de Freundlich para laurel + nanopartículas de magnetita. Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m ads (g) log q log Ce 25 0,34 3,52 0,7008 0,5464 -0,4685 50 0,53 7,06 0,7003 0,8491 -0,2757 100 0,82 14,15 0,7007 1,1509 -0,0862 150 1,23 21,21 0,7013 1,3266 0,0899 200 1,74 28,22 0,7026 1,4505 0,2405 300 2,23 42,52 0,7003 1,6286 0,3483 53 Isoterma de Langmuir 0,35 y = 0,1459x - 0,0466 R² = 0,9298 0,3 0,25 y = 0,3032x - 0,1217 R² = 0,9856 0,2 y = 0,103x - 0,0349 R² = 0,9745 0,15 0,1 Laurel 0,05 Canelo Eucalipto 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3,5 3 Figura FT XIII.1 Determinación gráfica de las constantes de Langmuir para materiales compuestos de laurel, canelo y eucalipto Isoterma de Freundlich 1,8 1,6 1,4 y = 1,2786x + 1,191 R² = 0,9877 1,2 y = 2,2747x + 0,782 R² = 0,9739 1 0,8 0,6 y = 1,4565x + 1,0564 R² = 0,9817 0,4 Laurel 0,2 Canelo 0 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Figura FT XIII.1 Determinación gráfica de las constantes de Freundlich para materiales compuestos de laurel, canelo y eucalipto