EFECTO DEL SECADO Y TAMIZADO DE SUELO EN

EFECTO DEL SECADO Y TAMIZADO DE SUELO EN PRUEBAS DE
ADSORCIÓN DE CADMIO
Ma. Guadalupe Urquiza Moreno y José Luis Martínez Palacios
Coordinación de Ingeniería Ambiental del Instituto de Ingeniería de la Universidad
Autónoma de México
Apartado Postal 70-472, Coyoacán. 04510, México, D. F.
Fax 56 16 21 64. E-mail: [email protected]
RESUMEN
La adsorción es una operación unitaria muy utilizada en Ingeniería Ambiental para
evaluar coeficientes y niveles de adsorción de contaminantes en diversos
materiales o soportes. En este estudio se evalúa el efecto que tiene secar y
tamizar el suelo con respecto a efectuar las pruebas de adsorción con suelo
húmedo, tal como se encuentra en forma natural. Se experimentó agitación
reciprocante a 60 cpm y agitación rotacional a 20 rpm en pruebas con 24 horas
de duración. El suelo utilizado corresponde a arcilla de la Ciudad de México
De acuerdo con los resultados, la variación de los coeficientes y de la propia
adsorción dependen de las condiciones de cada prueba. Además, el secar y
tamizar el suelo cambia las características de la isoterma de adsorción con
respecto a la que resulta si se mantiene húmedo.
Palabras clave: adsorción, isoterma, cadmio, suelo arcilla
INTRODUCCIÓN
La actividad volcánica (Nriagu, 1989), y otros fenómenos naturales como la
erosión de rocas son los causantes de la dispersión natural de cadmio en suelo
(EPA, 1985a; Risk Reduction Monograph No. 5 Cadmium ). Sin embargo, la
actividad industrial es la fuente principal de contaminación de cadmio al ambiente.
El cadmio es extraído como impureza durante la refinación de zinc, plomo y cobre.
Dentro de las aplicaciones más importantes del cadmio se encuentra el depósito
electrolítico en galvanoplastía, la aleación con plata, cobre, latón y bronce,
fabricación de pilas y acumuladores de Ni-Cd, la manufactura de barras de control de
reactores de compuestos de cadmio y soldadura y cubiertas metálicas y plásticos
entre otras.(Hutchinson et al, 1987)
La disposición de desechos conteniendo cadmio, la aplicación de lodos al suelo y
el uso de fertilizantes fosfatados, así como derrames y fugas de sitios de residuos
peligrosos, son las principales causas de que cadmio forme parte del suelo y agua
(EPA, 1981; EPA, 1985a; EPA, 1985d). El cadmio en suelos puede lixiviarse
especialmente en condiciones ácidas, alterando la calidad del agua subterránea.
El cadmio afecta de manera adversa algunas enzimas importantes, puede causar
osteomalacia (síndrome itai-itai) y daño renal. La inhalación de gases y polvos de
óxido de cadmio produce edema y necrosis en el epitelio pulmonar (Manahan,
1991).
El límite permisible para agua potable es de 0.005 mg/l (NOM-127-SSA1-1994). La
concentración típica en suelos es de 0.06 mg/Kg (Misra et al, 1992).
Por lo expresado, el cadmio representa una fuente potencial de contaminación de
aguas subterráneas como resultado de las actividades industriales. Si se considera
que los acuíferos están cubiertos por estratos de arcillas, las cuales se consideran
poco permeables y actúan como barreras de protección a la migración de
contaminantes, representando una protección y freno a la migración de
contaminantes, es importante estudiar el comportamiento de los compuestos y
solutos contaminantes a través del proceso de adsorción. Proceso que ha sido
utilizado por diferentes autores, desde hace tiempo, siguiendo diferentes
metodologías experimentales para la obtención de coeficientes de adsorción;
diferencias que consisten en experimentar con suelo seco y tamizado partículas
menores de 2 mm, y con el suelo húmedo tal como se encuentra en condiciones
naturales.
En la adsorción de una sustancia, de una fase a la superficie de otra, el equilibrio se
alcanza cuando la sustancia se distribuye termodinámicamente entre las fases. La
forma en que se representa esa distribución, es expresando la cantidad de sustancia
adsorbida por unidad de peso de adsorbente (qe) como una función de la
concentración residual en equilibrio: expresión que se conoce como isoterma de
adsorción (Slejko, 1985). Para describir las relaciones en las isotermas de adsorción,
se han desarrollado modelos de equilibrio tales como el de Langmuir, Bet, Gibbs y
Freundich, siendo los que mejor se ajustan a la adsorción de metales el primero y el
último (Levi-Minzi et al, 1976; Buchter et al, 1984; Boekhold et al, 1992). En este
trabajo el modelo que mejor se ajustó a la adsorción de cadmio en suelo fue el de
Freundlich qe = K f Ce1/n , y Langmuir, qe = Qºb/(1 + bCe), como lo describe Urquiza et
al, 1998.
Algunos autores reportan que las pruebas se efectúan con suelo seco a temperatura
ambiente (Boekhold et al, 1996; Yasuda et al, 1995; Buchter et al, 1989; Christensen
T, 1987), el material adsorbente es tamizado y se tritura hasta que pase por malla 10
(diámetro 2 mm), sin tener en cuenta la alteración del proceso
De las referencias citadas sólo Boesten et al, 1988 utilizan suelo húmedo para
realizar pruebas de adsorción.
Debido a la alteración que puede tener el material adsorbente, es importante evaluar
el efecto de cada una de estas condiciones, por lo que el objetivo de este trabajo es
evaluar a nivel laboratorio la adsorción de un suelo seco sin tamizar, tamizado y
suelo húmedo.
MATERIALES Y MÉTODOS
El material adsorbente utilizado corresponde a subsuelo de la zona centro de la
ciudad de México (catedral), cuyas características físicas y químicas se muestran en
la tabla 1. Se utilizaron frascos de polietileno tanto para las pruebas como para
almacenar las soluciones de cadmio, las cuales fueron preparadas a partir de cloruro
de cadmio grado reactivo por su alta solubilidad con agua deionizada (Perry, 1973;
Martínez et al, 1996).
Para las pruebas de agitación reciprocante se utilizó el equipo Eberbach Corporation
y para la agitación rotacional el equipo desarrollado en el Instituto de IngenieríaUNAM (Martínez et al, 1996). Para la determinación del pH se utilizó un
potenciómetro Corning modelo 10. El suelo se pesó en una balanza analítica marca
Sartorius, modelo 2442. Las muestras se centrifugaron en un equipo Sol-Bat, modelo
C-300. Los metales se analizaron por espectrofotometría de absorción atómica, en
un equipo Perkin Elmer, modelo 1100B.
El suelo, después de secarlo a temperatura ambiente hasta mantener prácticamente
el peso constante, se homogeneizó y almacenó en frascos. Parte del suelo se tamizó
por malla 10 para usarlo en las pruebas con tamaño de partícula menores a 2 mm
(tamizadas).
Las pruebas de adsorción se efectuaron manteniendo una relación suelo:solución
1:20 (Salim et al, 1996, Urquiza et al, 1999) tanto para suelo seco como para suelo
húmedo; en este último caso se considera para la evaluación la humedad contenida
en el material adsorbente. La temperatura a la cual se efectuaron las pruebas, por
las condiciones meteorológicas, varío de 20 a 25ºC. La muestra, una vez concluida
cada prueba, se centrífugo a 3000 rpm por 10 min, se decantó y acidificó con ácido
nítrico a pH < 2 para el análisis de cadmio.
Tabla 1. Caracterización física y química del suelo
Parámetro
Resultado
Humedad (%)
209.2
pH 1:2.5
9.2
3200
Conductividad (µmhos)
Densidad real (g/l)
2.74
Densidad aparente (g/l)
0.63
Porosidad (%)
77
Límite plástico (%)
102.5
Límite líquido (%)
284
Materia orgánica (%)
9.7
CEC (meq/100 g)
69.541
% de saturación
90.3
Cloruros (mg/kg)
4,380
Carbonatos (mg/kg)
97.5
Nota.- Los resultados expresados en mg/kg
Parámetro
Bicarbonatos (mg/kg)
Nitritos (mg/kg)
Fosfatos (mg/kg)
Sulfatos (mg/kg)
Arsénico (mg/kg)
Aluminio (mg/kg)
Cadmio (mg/kg)
Calcio (mg/kg)
Fierro (mg/kg)
Magnesio (mg/kg)
Potasio (mg/kg)
Silicio (mg/kg)
Sodio (mg/kg)
son en base seca.
Resultado
1,030
0.5
20.115
2,860
3.15
1317
2.32
18,510
14,908
38,706
8,122
343
16,237
Se efectuaron tres tipos de pruebas para evaluar el efecto de las condiciones
experimentales en la adsorción de cadmio en suelo. En el primer caso, las pruebas
hechas con suelo secado a temperatura ambiente sin tamizar. El segundo tipo de
experimento se realizó con suelo seco y tamizado a través de malla 10 para obtener
partículas menores de 2 mm. El tercer tipo de prueba fue con suelo húmedo sin
alterar. Con objeto de evaluar las isotermas de adsorción de cadmio y el coeficiente
de distribución, se utilizaron concentraciones iniciales de 50, 100, 200, 300, 400 y
500 mg de cadmio/L. Estas pruebas se comparan con agitación reciprocante a 60
cpm y agitación rotacional a 20 rpm en frascos llenos y 24 horas de duración..
RESULTADOS
En la figura 1 a y b se muestran los resultados para el primer tipo de prueba, se
observa mayor adsorción con la agitación rotacional que con la reciprocante, debido
a la mayor transferencia o difusión de adsorbato que existe con el suelo aunque la
forma de la isoterma en agitación rotacional no sea deseable. La variación de pH es
poca, se encuentra para ambas pruebas dentro del intervalo de 8.5 a 9.7 para
agitación rotacional y de 7.8 a 9.2 para agitación reciprocante; sin embargo es
ligeramente menor en el último tipo de prueba porque no se logra la transferencia de
iones de una fase a otra.
10000
8000
8000
qe, mg/Kg
qe, mg/Kg
10000
6000
4000
6000
4000
2000
2000
0
0
0
5
10
0
15
20
Ce, mg/L
(a)
Figura 1
40
60
80
Ce, mg/L
(b)
Isotermas de adsorción de cadmio en suelo seco sin tamizar, a) agitación
rotacional, b) agitación reciprocante.
10000
10000
8000
8000
qe, mg/Kg
qe, mg/Kg
En la figura 2 se muestran los resultados obtenidos en el caso de suelo seco
tamizado, a con agitación rotacional y b para agitación reciprocante. Para estas
pruebas se observa que existe nuevamente una mayor adsorción en agitación
rotacional, pero la forma de la curva es no deseable; en el caso de agitación
reciprocante, la dispersión de los resultados por la propia condición de la prueba, es
difícil representarlos en una isoterma para un nivel de correlación aceptable. El pH
en ambos tipos de prueba varió poco del orden de 8.3 a 9.8.
6000
4000
2000
6000
4000
2000
0
0
0
2
4
6
8
0
5
10
Ce, mg/L
Ce, mg/L
(a)
(b)
15
Figura 2. Isotermas de adsorción de cadmio en suelo seco tamizado, a) agitación
rotacional, b) agitación reciprocante
14000
12000
12000
10000
10000
8000
qe, mg/Kg
qe, mg/Kg
En la figura 3 se observan los resultados obtenidos para suelo húmedo. La adsorción
es menor al compararla con suelo seco, la humedad juega un papel muy importante
para limitar el transporte de cadmio a la superficie de las partículas de suelo. En lo
que respecta al pH, éste es en general menor a las demás pruebas, incluso de las
agitadas horizontalmente, quizá al secarse el suelo se concentran iones que dan la
capacidad amortiguadora de pH, porque a pesar de hacerse las pruebas por
duplicado los resultados son parecidos.
8000
6000
4000
6000
4000
2000
2000
0
0
0
100
200
300
0
100
200
Ce, mg/L
Ce, mg/L
(a)
(b)
300
Figura 3. Isotermas de adsorción de cadmio en suelo húmedo, a) agitación rotacional
b) agitación reciprocante
En la figura 4 se resumen esquemáticamente los resultados de adsorción de las
pruebas con agitación rotacional, donde se puede observar que se logra mayor
adsorción en suelo seco que en suelo húmedo.
mg Cd en sol/g suelo
16
14
Suelo seco
12
Suelo tamiza
Suelo húme
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
mg/g
Figura 4.Relación de cadmio disuelto dosificado y cadmio adsorbido en el suelo.
En la tabla 2 se muestran los coeficientes de distribución, Kf de cada una de las
pruebas con sus respectivos valores de 1/n y niveles de confianza r2. La variación
que existe se atribuye a las condiciones propias de cada prueba, particularmente en
la agitación reciprocante donde hubo mayor dispersión de los resultados por la
deficiente transferencia de cadmio al suelo por estar llenos los frascos.
Tabla 2. Coeficientes de distribución de las isotermas de cadmio.
PRUEBA Suelo seco sin tamizar
Suelo seco tamizado
Suelo húmedo
K
1/n
r2
K
1/n
r2
K
1/n
r2
ARFL24
137
1.79
0.96
277
1.87
0.99
350
0.65
0.79
AHFL24
142
0.87
0.68
778
0.90
0.8
16
1.1
0.79
CONCLUSIONES
En las pruebas de laboratorio para evaluar las isotermas de adsorción, juega un
papel muy importante, además de las características del adsorbato, del adsorbente
de la solución y del tiempo de contacto, el tipo y velocidad de agitación.
La agitación reciprocante con frascos llenos, para las condiciones de prueba de este
trabajo, no es un método apropiado de prueba para evaluar isoterma de adsorción
de cadmio en suelo, porque por el tipo de agitación se limita la difusión del adsorbato
a la superficie del adsorbente., tal comportamiento se puede apreciar al observar la
variación del pH entre uno y otra prueba.
En términos generales la adsorción de cadmio en suelo es mayor en suelo seco
tamizado que en suelo húmedo, lo cual se explica porque al secarlo se elimina el
agua intersticial y se facilita el transporte a la superficie y al interior de la partícula.
En general la adsorción de cadmio con agitación rotacional responde en mayor o
menor grado a las isotermas de Freundlich y Langmuir; sin embargo, en las pruebas
con suelo húmedo el modelo que mejor se ajusta es el de Langmuir.
El secado y tamizado del suelo puede cambiar las propiedades de adsorción de
éste, por ejemplo cambiar la capacidad amortiguadora de pH, por lo que es
recomendable que se experimente en condiciones semejante a las naturales o que
se hagan pruebas de mayor duración en las condiciones experimentadas, para
corroborar los equilibrios de adsorción de las diferentes condiciones probadas.
AGRADECIMIENTOS
Al Ing. Roberto Boscó R. de TGC Geotécnia por facilitar el suelo utilizado en este
trabajo. A la Coordinación de Geotecnia del Instituto de Ingeniería de la UNAM, en
especial al Dr. Efraín Ovando, Ing. Lorena Vega y al Sr. Guillermo Hiriart, por las
facilidades brindadas en la realización de análisis físicos. Al Sr. Orlando Palacios, por
el apoyo técnico prestado para observar al microscopio el suelo utilizado. A la Q. Filis
Moreno A., TL. Diana Hernández, Q. Noemí Jiménez, IQ. Miguel Ángel Mendoza V.
y Q. Mónica San Nicolás C, por la ayuda prestada para la realización de los análisis
fisico-químicos y de metales.
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