Tesis Rosa Brillante sobre zeolita

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
ZONA XALAPA
PROGRAMA EDUCATIVO:
INGENIERÍA AMBIENTAL
“REMOCIÓN DEL COLORANTE ROSA BRILLANTE SOBRE ZEOLITA
ACTIVADA CON SURFACTANTE”
MODALIDAD DEL TRABAJO RECEPCIONAL
TESIS
Que para acreditar la Experiencia Educativa:
Experiencia Recepcional
P r e s e n t a:
C. JOSÉ JUAN GUTIÉRREZ BAZÁN
Asesora:
DRA. MARÍA TERESA LEAL ASCENCIO
Xalapa, Ver., Diciembre 2015
AGRADECIMIENTOS
A la Dra. María Teresa Leal Ascencio, por brindarme la confianza para este trabajo,
su acertada dirección, enseñarme que las cosas buenas se consiguen con esfuerzo y
sobre todo a no rendirse jamás.
A la Dra. Zaira Domínguez Esquivel de la unidad de Servicios de Apoyo en
Resolución Analítica (SARA) por su orientación, criterio en el desarrollo de esta
investigación y a enseñarme a buscar siempre más allá de las cosas.
A la Dra. Nieves del Socorro Martínez Cruz por su dedicación, disponibilidad,
aportes a esta investigación y por mostrarme que el conjunto de los pequeños
detalles forman las grandes cosas.
DEDICATORIA
En primer lugar a Dios por mostrarme que de alguna manera está presente en la vida
y a manifestarse de distintas formas que me ayudan a cumplir mis objetivos.
A mi abuela Elena, mis padres Jesús y Macrina, por su amor incondicional,
apoyarme en cada momento, ser mis guías, enseñarme que en la vida se lleva
valores y virtudes, por todo esto y más los llevare siempre en mi corazón.
A mis hermanos Juan Carlos y José Alejandro a quienes quiero mucho y agradezco
todas las experiencias que vivimos juntos.
Y por último pero no menos importante a mis amigos, Diego, José Alfredo, Alan, Noé,
Oscar, Israel, Salvador, Sebastián, Rosa, Mafer, I. Rolón, I. Cruz, Gaby, y al resto de
la generación de Ingeniería Ambiental 2011 por hacerme ver el mundo desde
perspectivas diferentes y llenarme de experiencias inolvidables.
ÍNDICE
1. GENERALIDADES ............................................................................................... 12
1.1 Antecedentes ................................................................................................................................ 12
1.2 Planteamiento del problema ......................................................................................................... 13
1.3 Justificación .................................................................................................................................. 14
1.4 Objetivos ....................................................................................................................................... 14
1.5 Hipótesis ....................................................................................................................................... 15
2. MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 16
2.1 Aguas residuales .......................................................................................................................... 16
2.1.1 Tipos de aguas residuales ................................................................................................... 16
2.1.2 Efectos ambientales de las aguas residuales ....................................................................... 16
2.2 Tipos de tratamiento de aguas residuales ................................................................................... 17
2.2.1 Tratamiento primario. ............................................................................................................ 17
2.2.2 Tratamiento secundario. ........................................................................................................ 17
2.2.3 Tratamiento terciario. ............................................................................................................ 18
2.3 Colorantes .................................................................................................................................... 18
2.3.1 Clasificación de los colorantes .............................................................................................. 19
2.3.1.1 Colorantes ácidos ........................................................................................................... 19
2.3.1.2 Colorantes metalizados .................................................................................................. 19
2.3.1.3 Colorantes básicos ......................................................................................................... 19
2.3.1.4 Colorantes directos ......................................................................................................... 20
2.3.1.5 Colorantes de tinaja ........................................................................................................ 20
2.3.1.6 Colorantes dispersos ...................................................................................................... 20
2.3.1.7 Colorantes reactivos ....................................................................................................... 20
2.4 Tipos de tratamiento para la remoción de colorantes en un efluente .......................................... 21
2.4.1 Tratamientos químicos .......................................................................................................... 21
2.4.2 Procesos biológicos .............................................................................................................. 21
2.4.3 Tratamientos físicos .............................................................................................................. 22
2.5 Cromatografía en capa fina .......................................................................................................... 22
2.6 Espectrometría de resonancia magnética nuclear (RNM) ........................................................... 24
2.7 Espectrometría infrarroja (IR) ....................................................................................................... 25
2.8 Adsorción ...................................................................................................................................... 26
2.9 Isotermas de adsorción ................................................................................................................ 28
2.9.1 Isoterma de Langmuir ........................................................................................................... 29
2.9.2 Isoterma de Freundlich.......................................................................................................... 31
2.11 Zeolita ......................................................................................................................................... 33
2.11.1 Estructura de zeolita............................................................................................................ 34
2.11.2 Clinoptilolita ......................................................................................................................... 35
2.12 Rodamina B ................................................................................................................................ 37
2.13 Procedimiento teórico de diseño de un filtro de adsorción en zeolita activada. ........................ 38
3. METODOLOGÍA ................................................................................................... 40
3.1 Acondicionamiento de la zeolita ................................................................................................... 40
3.1.1 Molido y tamizado ................................................................................................................. 40
3.1.2 Activación térmica .................................................................................................................... 41
3.1.3 Activación con Cloruro de Amonio (NH4Cl) ............................................................................... 41
3.1.4 Activación con HDTMA-Br......................................................................................................... 42
3.2 Caracterización del colorante de pruebas y el de la muestra obtenida en la región Sedeño ...... 43
3.2.1 Prueba en cromatografía en placa fina ................................................................................. 44
3.2.2 Prueba en resonancia magnética nuclear (RNM) ................................................................. 45
3.2.3 Prueba de espectro infrarrojo (IR) ......................................................................................... 45
3.3 Pruebas de adsorción .................................................................................................................. 46
3.4 Isoterma de adsorción ................................................................................................................. 46
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................. 47
4.1 Resultados de adsorción para los tres métodos de activación ................................................... 47
4.2 Resultados de la caracterización del colorante............................................................................ 49
4.2.1 Cromatografía en placa fina .................................................................................................. 49
4.2.2 Resonancia magnética nuclear. ............................................................................................ 49
4.2.3 Espectro infrarrojo ................................................................................................................. 51
4.3 Isoterma de adsorción del de la activación con HDTMA-Br ........................................................ 53
4.4 Ajuste de los resultados a los modelos de isotermas de Langmuir y Freundlich ........................ 55
4.4.1 Ajuste de la Isoterma de Langmuir ....................................................................................... 55
4.4.2 Ajuste de la isoterma de Freundlich ...................................................................................... 58
4.5 Saturación experimental............................................................................................................... 60
4.6 Diseño teórico del filtro de zeolita ................................................................................................ 61
5. CONCLUSIONES ................................................................................................. 64
6. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 65
Anexos...................................................................................................................... 71
Anexo 1. Caracterización de rosa brillante......................................................................................... 71
Anexo 2. Reporte completo sobre el IR del colorante de pruebas .................................................... 73
Anexo 3. Determinación de la concentración del colorante .............................................................. 75
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1 Esquema de cromatografía en capa fina ......................................................... 23
Fig. 2 Esquema de un equipo de resonancia magnética nuclear ............................. 25
Fig. 3. Tipos de isotermas según la IUPAC. .............................................................. 28
Fig. 4. Forma general de la isoterma de Langmuir. ................................................... 30
Fig. 5 Forma lineal de la isoterma de Langmuir ........................................................ 31
Fig. 6 Oxígenos compartidos por dos tetraedros....................................................... 35
Fig. 7. Estructura de la Clinoptilolita .......................................................................... 36
Fig. 8. Esquema general de la estrategia de trabajo ................................................. 40
Fig. 9. Lavado y secado de zeolita ............................................................................ 41
Fig. 10. Activación con NH4Cl de zeolita. ................................................................. 42
Fig. 11. Zeolita en contacto con HDTMA-Br. ............................................................. 43
Fig. 12 Colorantes disueltos en metanol ................................................................... 44
Fig. 13 Muestras de colorantes en tubos de vidrio sometidas a RNM ....................... 45
Fig. 14 Equipo IR modelo Frontier FT-IR .................................................................. 45
Fig. 15. Muestra de agua después de ser tratada con zeolita modificada con HDTMABr............................................................................................................................... 48
Fig. 16 Cromatografía en placa fina del colorante de pruebas (1) y la muestra de
Sedeño (2)................................................................................................................. 49
Fig. 17 Espectro de RNM de rodamina B por National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology (AIST) ................................................................................ 50
Fig. 18 Espectro de RNM del colorante de prueba .................................................... 50
Fig. 19 Espectro de RNM del colorante contenido en la descarga de la región del
Sedeño ...................................................................................................................... 51
Fig. 20 Espectro IR de rodamina B por National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology (AIST) ................................................................................ 52
Fig. 21 Espectro de IR del colorante de prueba ....................................................... 52
Fig. 22. Isoterma de adsorción del método de activación de zeolita con HDTMA-Br. 55
Fig. 23 Isoterma lineal de Langmuir con los datos experimentales del método de
activación con HDTMA-Br. ........................................................................................ 56
Fig. 24 Isoterma lineal de Freundlich con los datos experimentales del método de
activación de zeolita con HDTMA-Br. ........................................................................ 59
Fig. 25. Concepto de profundidad crítica del lecho .................................................... 61
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tabla de antecedentes. ............................................................................... 12
Tabla 2. Adsorción en zeolita para los tres métodos de activación. .......................... 47
Tabla 3. Eficiencia de remoción de colorante por cada método de activación de la
zeolita. ....................................................................................................................... 48
Tabla 4 Resultados de equilibrio de adsorción para el método de activación con
HDTMA-Br. ................................................................................................................ 53
Tabla 5 Resultados del colorante adsorbido por unidad de masa en el equilibrio de
adsorción para la activación de zeolita con HDTMA-Br. ........................................... 54
Tabla 6 Ajuste de los datos usados en la linealización de la ecuación de Langmuir . 56
Tabla 7 Constantes de la isoterma de Langmuir de la activación de zeolita con
HDTMA-Br. ................................................................................................................ 57
Tabla 8 Datos para la linealización de la ecuación de Freundlich. ........................... 58
Tabla 9 Logaritmos de los datos usados en la linealización de la ecuación de
Freundlich.................................................................................................................. 58
Tabla 10 Constantes de la isoterma de Freundlich de la activación de zeolita con
HDTMA-Br. ................................................................................................................ 60
Tabla 11. Datos de saturación de la zeolita activada con HDTMA-Br. ...................... 61
Introducción
El agua es esencial para vivir y desempeña un papel vital en el funcionamiento
adecuado de los ecosistemas. La contaminación del agua tiene un impacto serio en
todos los seres vivientes y podría afectar adversamente el uso del agua potable, en
el hogar y otras actividades como la pesca, el transporte y el comercio (EPA, 2015).
La industria y los sectores de producción necesitan grandes cantidades de agua para
el proceso de elaboración de sus productos y este, se ve afectado sufriendo
variaciones en su composición original; la magnitud del problema se ve magnificada
cuando las cantidades usadas son exorbitantes. La descarga generada se
caracteriza por tener pobres condiciones para una posible reutilización y sustancias
ajenas a la composición original del agua, estas sustancias dependen del sector que
las genere.
Este tipo de descargas por lo regular no reciben un saneamiento adecuado y
terminan por ser un problema para el medio ambiente, dañando el suelo o los
cuerpos de agua receptores, generalmente los segundos son los más afectados.
Entre los contaminantes que más destacan dañando un cuerpo de agua, se
encuentran los colorantes, debido a que contrastan fuertemente con la naturaleza de
éste, afectan el uso para consumo humano y su composición puede ser tóxica para
la flora y fauna.
El tratar aguas residuales con colorante es muy difícil debido a su composición, pues
son resistentes a los procesos de biodegradación, como lo es la digestión aerobia,
además son muy estables a los agentes de la luz, calor y oxidantes; por ello, se
buscan métodos más viables en tiempo, métodos de operación y en cuanto a costos
se refiere. Los métodos fisicoquímicos que han demostrado tener éxito son la
adsorción, la coagulación, floculación, filtración de membrana, y los métodos
electroquímicos. La adsorción se ha utilizado ampliamente en procesos industriales
con propósitos de separación y purificación, se usan adsorbentes de bajo costo y se
está convirtiendo rápidamente en un método prominente de tratamiento de efluentes
acuosos (Kuleyin y Aydin, 2010).
Dentro de las alternativas de materiales de bajo costo, las zeolitas son
económicamente atractivas debido a que son abundantes y son materiales altamente
porosos con propiedades fisicoquímicas valiosas, tales como intercambio iónico,
tamiz molecular, catálisis y adsorción. El uso de zeolitas naturales para aplicaciones
ambientales está adquiriendo un gran interés debido a sus propiedades y a su fácil
preparación y regeneración. Las zeolitas naturales son adsorbentes prometedores
para propósitos de purificación del ambiente (Wang y Peng, 2010).
1. GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES
En
la literatura se ha reportado el uso de zeolita para retirar distintos tipos de
contaminantes, principalmente para descargas acuosas. La ventaja de emplear este
material es su alta eficiencia y bajo costo de operación. Algunos reportes donde se
ha empleado zeolita para la remoción de contaminantes se muestran en la tabla 1.
Tabla 1. Tabla de antecedentes.
Tipo de zeolita
Activación
Contaminante
Fuente
Colorantes azo (CI
Clinoptilolita
HDTMA-Br
reactivo negro 5, rojo
(Armagan et al., 2003)
239 y amarillo 176)
Efluente de industria
Clinoptilolita
HDTMA-Br
textil (colorantes
everzol, remazol y
(Ozdemir et al., 2009)
auxiliares químicos)
Sintética basada en
cenizas
HDTMA-Br
Efluente de industria
(Fungaro y
textil
Magdalena, 2013)
Colores básicos (Azul
Clinoptilolita
Sin activación
básico 3 (BB 3) y rojo
(Hisarli et al., 2012)
básico 18 (BR 18))
Natural
HDTMA-Br
Reactivo negro 5 y
reactivo rojo 239
(Karadag et al., 2007)
Colorantes remazol
Clinoptilolita
HDTMA-Br
azul brillante R y
(Kuleyin y Aydin, 2010)
reactivo amarillo
12
remazol
Clinoptilolita
HDTMA-Br
Ácidos fulvicos
(Wang et al., 2006)
Natural
Térmica
Efluente textil
(Revelo et al., 2015)
Clinoptilolita
HDTMA-Br
Percloroetileno
(Li y Bowman, 1998)
Clinoptilolita
NH4 Cl , NaCl
Plomo (II)
( Ramos et al., 2004)
Clinoptilolita
HDTMA-Br
Plata (I)
(Ramos et al., 2005)
HDTMA-Br
Acido naranja 8
Nano zeolita sintética
basada en cenizas
( Fungaro y
Magdalena, 2014)
Azul de metileno,
Zeolita MCM-22
Sin activación
cristal violeta y
(Wang et al., 2006)
rodamina B
Amido Black 10B y
Clinoptilolita
Sin activación
Clinoptilolita
HDTMA-Br
Cromo
Clinoptilolita
Térmica
Micotoxinas
Safranina T
(Qiu et al., 2009)
(Ramos et al., 2008)
(Tiburcio-Munive et.
al., 2010)
*HDTMA-Br = Bromuro de Hexadeciltrimetilamonio
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En las zonas aledañas a la
cuenca del Sedeño se producen cantidades
considerables de papa, la cual después de su proceso de recolección, es teñida con
colorante rosa brillante, generando una descarga de agua residual de alto contenido
de colorante. Esto reduce la penetración de la luz solar, afectando de esta manera la
actividad fotosintética de la flora acuática y por lo tanto la reducción del oxígeno
disuelto, sin mencionar, que algunas características de dicho colorante pueden ser
tóxicas, provocando efectos mutagénicos y cancerígenos en la población aledaña
(Kuleyin y Aydin, 2010), esto por mencionar solo algunos ejemplos.
13
1.3 JUSTIFICACIÓN
Los beneficios que se obtienen al tratar el efluente contaminado, son ambientales, de
salud y económicos, esto se refiere a la protección y conservación de la flora y fauna
de la región del Sedeño, así como el estudio de la composición del colorante y la
influencia que este puede tener en la salud humana conlleva a tomar las
precauciones necesarias en la región, y al mismo tiempo se considera el costo del
material empleado, sin mencionar el diseño y la posible aplicación de un filtro de
zeolitas a escala piloto para tratar el efluente descargado en la cuenca del Sedeño.
1.4 OBJETIVOS
Objetivo general:

Estudiar la remoción del colorante rosa brillante mediante adsorción a través
de zeolita activada para su posible aplicación en el efluente generado por los
productores de papa de la región del Sedeño.
Objetivos específicos:

Activar la zeolita para adsorción a través de tres métodos distintos.

Caracterización del colorante rosa brillante.

Realizar pruebas de adsorción entre los distintos métodos de activación de la
zeolita.

Determinar la capacidad de carga de la zeolita activada del método con mayor
eficiencia de remoción de las pruebas de adsorción.

Diseñar un filtro de zeolita basándose en la capacidad máxima de adsorción.
14
1.5 HIPÓTESIS
La remoción del colorante rosa brillante se realizará sobre zeolita activada por tres
métodos, el térmico, con cloruro de amonio (NH4Cl) y con bromuro de
hexadeciltrimetilamonio (HDTMA-Br), siendo la activación con HDTMA-Br la más
efectiva con un 80% de remoción.
Uno de los principales componentes del colorante rosa brillante es el compuesto
rodamina B.
15
2. MARCO TEÓRICO
2.1 AGUAS RESIDUALES
Desde el punto de vista de las fuentes de generación, las aguas residuales pueden
definirse como una combinación de líquidos o aguas portadoras de residuos
procedentes de residencias, instituciones públicas así como de centros comerciales e
industrias, a las que, eventualmente pueden agregarse
aguas subterráneas,
superficiales y pluviales (Metcalf y Eddy, 1985).
2.1.1 Tipos de aguas residuales
La clasificación según Ramalho et al., (1996), Metcalf y Eddy (1985) para los tipos
de aguas residuales son: domesticas, las cuales proceden principalmente de zonas
residenciales, industriales, instalaciones públicas y de recreo. Las aguas industriales
son aquellas en las que predominan residuos industriales, estos varían de acuerdo al
tamaño y tipo de la industria. Las infiltraciones y conexiones incontroladas
son
aquellas que penetran de forma no controlada en la red de alcantarillado, procedente
del subsuelo por distintos medios, y agua pluvial que es descargada a la red y el
agua pluvial es aquella resultante de la escorrentía superficial.
2.1.2 Efectos ambientales de las aguas residuales
La falta de tratamiento de aguas residuales provoca varios efectos negativos en el
medio ambiente y en el entorno social donde se presenta; el no sanear un agua
residual que se deja estancar durante un cierto tiempo conlleva a la descomposición
de la materia orgánica que contiene y puede llevar a la producción de grandes
cantidades de gases mal olientes. Además el agua residual bruta contiene,
frecuentemente,
numerosos
microorganismos
patógenos
o
causantes
de
enfermedades que habitan en el aparato intestinal humano, o que pueden estar
presentes en ciertos residuos industriales; también suele contener nutrientes, que
pueden estimular el crecimiento de plantas acuáticas y, por último, pueden incluir
16
compuestos tóxicos. Por estas razones la eliminación inmediata y sin molestias del
agua residual desde sus fuentes de generación, seguida de su tratamiento y
evacuación, no es solamente deseada sino que es necesaria para una sociedad
industrializada (Metcalf y Eddy, 1985).
2.2 TIPOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
La selección de los procesos de tratamiento de aguas residuales o la serie de
procesos de tratamiento depende de cierto número de factores. Para ello, dicho
proceso se divide en:
2.2.1 Tratamiento primario.
Se reducen los sólidos en suspensión para pasar a un tratamiento posterior a través
de una neutralización u homogeneización. Los tipos fundamentales de tratamientos
primarios son el cribado o desbrozo, la sedimentación, la flotación, la neutralización y
homogeneización (Ramalho et al., 1996). Metcalf y Eddy (1985) lo describen como
los métodos de tratamiento de los cuales predomina la aplicación de la fuerza física,
siendo así operaciones físicas unitarias. Dado que la mayoría de estos métodos han
evolucionado de las primeras observaciones de la naturaleza efectuadas por el
hombre, fueron los primeros en ser usados en el tratamiento del agua residual. El
desbaste, mezclado, floculación, sedimentación, flotación y filtración son operaciones
unitarias típicas.
2.2.2 Tratamiento secundario.
La expresión tratamiento secundario se refiere a todos los procesos de tratamiento
biológico de las aguas residuales tanto aerobios como anaerobios (Ramalho et al.,
1996).
17
Los métodos de tratamiento en los cuales se consigue la eliminación de
contaminantes por una actividad biológica son conocidos como procesos biológicos
unitarios. El tratamiento biológico se usa esencialmente para eliminar las sustancias
orgánicas biodegradables (coloidales o disueltas) presentes en el agua residual.
Básicamente estas sustancias se convierten en gases que pueden escapar a la
atmosfera y en tejido celular biológico que puede eliminarse por sedimentación
(Metcalf y Eddy, 1985).
2.2.3 Tratamiento terciario.
El tratamiento terciario (al que se conoce también como tratamiento avanzado) es la
serie de procesos destinados a conseguir una calidad del efluente superior a la del
tratamiento secundario convencional. Muchos de estos procesos actualmente no se
emplean demasiado en el tratamiento de aguas residuales, pero su empleo a mayor
escala está previsto conforme a las exigencias de calidad de los efluentes se hagan
más estrictas en el futuro (Ramalho et al, 1996).
Metcalf y Eddy (1985), mencionan que los tratamientos en los cuales la eliminación o
conversión de los contaminantes es provocado por la adición de productos químicos
o por otras reacciones químicas, se conocen por procesos químicos unitarios. La
precipitación, transferencia de gases, adsorción y la desinfección son los ejemplos de
los procesos mayoritariamente utilizados en el tratamiento del agua residual. A pesar
de que estas operaciones y procesos se utilizan conjuntamente según diversas
combinaciones en los sistemas de tratamiento, se ha considerado ventajoso estudiar
las bases científicas de cada uno de ellos por separado ya que los principios básicos
no varían.
2.3 COLORANTES
Los colorantes son sustancias empleadas para dar color a tejidos, cuero, papel, entre
otros. Son generalmente compuestos orgánicos que contienen sistemas de dobles
18
enlaces conjugados. El grupo responsable del color es el denominado cromóforo:
otros grupos no coloreados que intensifican el color son los auxocromos (Julián y
Martínez, 1999).
2.3.1 Clasificación de los colorantes
De acuerdo con Julián y Martínez (1999) los colorantes se pueden clasificar de
acuerdo a la estructura química de sus moléculas. En la práctica se clasifican en
función de la forma de aplicación del tinte o de soporte sobre el sustrato. A
continuación se muestra la clasificación de los colorantes en base a lo anterior
descrito:
2.3.1.1 Colorantes ácidos
Son compuestos cuyo cromóforo es parte de un ión negativo (generalmente un
sulfanato orgánico RSO2O-). Se pueden usar para teñir fibras proteicas (lana y seda)
o para poliamidas y fibras sintéticas. Originalmente se aplicaban en un baño ácido.
2.3.1.2 Colorantes metalizados
Son formas de colorantes ácidos en los que el ión negativo contiene un átomo
metálico quelatado.
2.3.1.3 Colorantes básicos
Poseen cromóforos que forman parte de un ión positivo (generalmente una sal de
amina o un grupo imino ionizado). Se usa para fibras acrílicas y también para lana y
seda, aunque su solidez en estos tejidos no es muy buena.
19
2.3.1.4 Colorantes directos
Poseen una gran afinidad por el algodón, el rayón y otras fibras de celulosa. Se
aplican directamente de un baño neutro que contiene cloruro y sulfato sódicos. Como
los colorantes ácidos, generalmente son sales de ácidos sulfónicos, pero se
diferencian de los primeros por mostrar una mayor afinidad por el sustrato.
2.3.1.5 Colorantes de tinaja
Son sustancias insolubles usadas para teñir algodón. Suelen contener grupos ceto
C=O que se reducen a grupos C – OH, dando un tinte soluble (forma leuco del tinte).
El colorante así aplicado es oxidado por el aire o por otros agentes y precipita como
pigmento en las fibras. El índigo y la antroquinona son ejemplos de este tipo de
tintes. Los colorantes de azufre se aplican mediante esta misma técnica usando
disoluciones de sulfuro sódico para reducir y disolver el tinte; se usan en fibras de
celulosa.
2.3.1.6 Colorantes dispersos
Son tintes insolubles que se aplican formando una dispersión muy fina en el agua.
Se emplea para teñir acetato de celulosa y otras fibras sintéticas.
2.3.1.7 Colorantes reactivos
Son compuestos con grupos capaces de reaccionar con el sustrato formando
enlaces covalentes. Se fijan con gran firmeza y se usan sobre todo para fibras de
celulosa.
20
2.4 TIPOS DE TRATAMIENTO PARA LA REMOCIÓN DE COLORANTES EN UN EFLUENTE
Conocer el comportamiento de diversos materiales y métodos en contacto con
efluentes contaminados por colorantes, ayuda a definir las técnicas para dicho fin, los
cuales pueden ser físicos, químicos y biológicos tal y como se había mencionado
previamente. A continuación se muestra con más detalle
dichos tratamientos
(Barrios-Ziolo et al., 2015).
2.4.1 Tratamientos químicos
En el grupo de procesos químicos implementados para el tratamiento de efluentes
contaminados con sustancias colorantes, se presentan algunas técnicas de oxidación
química como: los procesos de ozonización, Fenton, ultrasonido, fotocatálisis
(ultravioleta), oxidantes convencionales (peróxido de hidrógeno), procesos de
coagulación / floculación y electrocoagulación, entre otras tecnologías. Entre este
grupo de tecnologías, la fotocatálisis y el tratamiento Fenton/UV, presentan
porcentajes de remoción de color cercanos al 100% (Barrios-Ziolo et al., 2015).
2.4.2 Procesos biológicos
La actividad metabólica de los microorganismos puede ser optimizada con la adición
de co-sustratos o fuentes de carbono y energía secundarias, las cuales pueden
acelerar la asimilación del colorante (fuente de energía objetivo). Los procesos
biológicos implementados, evalúan la influencia de factores como el modo de
operación del reactor (batch, feedbatch o continuo), de variables como la
temperatura del medio, el pH, la concentración inicial de colorante y la concentración
de microorganismos, además de la presencia de oxígeno en el sistema. Los
tratamientos biológicos permiten obtener porcentajes de remoción de color y COT
(carbono orgánico total) significativos, sin embargo se realizan a bajas velocidades lo
que incrementa sustancialmente los tiempos de tratamiento.
21
En condiciones adecuadas, los organismos pueden reducir una diversidad de
sustancias químicas recalcitrantes. La diversidad biológica hace posible encontrar
enzimas y microorganismos especializados en la degradación de colorantes
específicos (Barrios-Ziolo et al., 2015).
2.4.3 Tratamientos físicos
Entre las principales tecnologías para el tratamiento físico de efluentes contaminados
por la presencia de colorantes y pigmentos en el medio acuoso, se relacionan los
procesos de adsorción, los sistemas de filtración y las resinas de intercambio iónico,
como las más importantes. Entre los materiales adsorbentes reportados en la
literatura con mejores porcentajes de remoción de color, se encuentran desde
residuos agroindustriales de bajo costo como palma de aceite, viruta, aserrín, bambú,
algas, hojas de pino, tallos de canola y quitosano, entre otros, hasta minerales como
lignito, magnetita, carbón activado, bentonita, etc. Producto de las interacciones
electrostáticas entre los materiales adsorbentes y los compuestos que producen la
coloración de las aguas residuales, el proceso de adsorción es afectado por las
condiciones del medio (pH y temperatura), las características moleculares de los
colorantes (grupos funcionales constitutivos) y el tiempo de contacto, entre otras.
Estas interacciones electrostáticas pueden ser mejoradas mediante el pretratamiento
de
los
materiales
adsorbentes
utilizando
agentes
químicos
modificadores, los cuales actúan a nivel de superficie causando la protonación o
desprotonación de las moléculas expuestas del material adsorbente (Barrios-Ziolo et
al., 2015).
2.5 CROMATOGRAFÍA EN CAPA FINA
La cromatografía en capa fina (en inglés thin layer chromatography o TLC) es una
técnica analítica rápida y sencilla, muy utilizada en un laboratorio de química
orgánica. Entre otras cosas permite determinar el grado de pureza de un compuesto,
22
la efectividad de una etapa de purificación, comparar muestra (si dos muestras
corren igual en placa podrían ser idénticas, por el contrario si corren distinto entonces
no son la misma sustancia) o realizar el seguimiento de una reacción (es posible
estudiar cómo desaparecen los reactivos y cómo aparecen los productos finales).
La muestra a analizar se deposita cerca de un extremo de una lámina de plástico o
aluminio que previamente ha sido recubierta de una fina capa de adsorbente (fase
estacionaria). Posteriormente, la lámina se coloca en una cubeta cerrada que
contiene uno o varios disolventes mezclados (eluyente o fase móvil). A medida que la
mezcla de disolventes asciende por capilaridad a través del adsorbente, se produce
un reparto diferencial de los productos presentes en la muestra entre el disolvente y
el adsorbente. Los dos adsorbentes (fase estacionaria) más ampliamente utilizados
son la gel de sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3), ambas de carácter polar. La alúmina
anhidra es el más activo de los dos, es decir, es el que retiene con más fuerza a los
compuestos; por ello se utiliza para separar compuestos relativamente apolares
(hidrocarburos, haluros de alquilo, éteres, aldehídos y cetonas). El gel de sílice, por
el contrario, se utiliza para separar sustancias más polares (alcoholes, aminas,
ácidos
carboxílicos).
El
proceso
de
adsorción
se
debe
a
interacciones
intermoleculares de tipo dipolo‐dipolo o enlaces de hidrógeno entre el soluto y el
adsorbente. El adsorbente debe ser inerte con las sustancias a analizar y no actuar
como catalizador en reacciones de descomposición. El adsorbente interacciona con
las sustancias mediante interacción dipolo‐dipolo o mediante enlace de hidrógeno si
lo presentan (UAM, 2015)
Fig. 1 Esquema de cromatografía en capa fina
Fuente: http://www.ugr.es/~quiored/lab/oper_bas/tlc_6.gif
23
2.6 ESPECTROMETRÍA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RNM)
La espectrometría de resonancia magnética nuclear (RMN), más comúnmente
conocida como espectrometría RMN, es una técnica que explota las propiedades
magnéticas de ciertos núcleos. Las aplicaciones más importantes para su uso en
química orgánica son la espectrometría RMN de protones y la de carbono-13. En
principio,
la
RMN
es
aplicable
a
cualquier
núcleo
que
posea
espín.
Pueden obtenerse muchos tipos de información mediante un espectro RMN. Al igual
que se utiliza la espectrometría de infrarrojos para identificar grupos funcionales, el
análisis de un espectro RMN unidimensional proporciona información sobre el
número y tipo de entidades químicas en una molécula o núcleos no equivalentes en
una molécula (Pérez, 2015).
Generalmente en espectroscopia se varía la frecuencia de la radiación incidente,
hasta que se observa absorción. Sin embargo, en espectroscopia RMN se tiene
además la opción de mantener fija la frecuencia de la radiación y variar el espaciado
entre los niveles, variando la magnitud del campo aplicado B hasta que se observe
absorción. En la Figura 2 se presenta un esquema de un equipo de RMN. La muestra
se coloca en un tubo, el cual se gira rápidamente para ganar homogeneización en la
señal. El tubo, a su vez, está situado entre dos polos magnéticos que son los que
generan el campo magnético. Hay un emisor y un receptor de radiofrecuencia. La
señal del emisor puede ser controlada para hacer un barrido de frecuencias. Con las
bobinas de barrido se puede controlar un barrido del campo. Los equipos actuales de
RMN ya casi no emplean los procedimientos anteriores, sino que se basan en la
utilización de técnicas de transformadas de Fourier.
24
Fig. 2 Esquema de un equipo de resonancia magnética nuclear
Fuente:http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/056/htm/sec_7.htm
2.7 ESPECTROMETRÍA INFRARROJA (IR)
Pérez (2015), describe a la
espectrometría
de
espectrometría de infrarrojos como un tipo de
absorción que
utiliza
la
región
infrarroja
del
espectro
electromagnético. Como las demás técnicas espectroscópicas, puede ser utilizada
para identificar un compuesto o investigar la composición de la muestra.
La espectrometría infrarroja se basa en el hecho de que los enlaces químicos de las
sustancias tienen frecuencias de vibración específicas, que corresponden a los
niveles de energía de la molécula. Estas frecuencias dependen de la forma de la
superficie de energía potencial de la molécula, la geometría molecular, las masas
atómicas y, posiblemente el acoplamiento vibracional.
Si la molécula recibe luz con la misma energía de esa vibración, entonces la luz será
absorbida si se dan ciertas condiciones. Para que una vibración aparezca en el
25
espectro infrarrojo, la molécula debe someterse a un cambio en su momento dipolar
durante la vibración.
Con el fin de hacer medidas en una muestra, se transmite un rayo monocromo de luz
infrarroja a través de la muestra, y se registra la cantidad de energía absorbida.
Repitiendo esta operación en un rango de longitudes de onda de interés (por lo
general, 4000-400 cm-1) se puede construir un gráfico. Al examinar el gráfico de una
sustancia, un usuario experimentado puede obtener información sobre la presencia
de grupos funcionales presentes en la molécula. El espectro en su conjunto es una
huella dactilar del compuesto químico, por lo que es común emplear la comparación
entre
espectros
reportados
en
la
literatura
con
espectros
obtenidos
experimentalmente para identificar muestras.
Esta técnica funciona casi exclusivamente en enlaces covalentes, y se usa mucho en
química, en especial en química orgánica. Se pueden generar gráficos bien resueltos
con muestras de una sola sustancia de gran pureza. Sin embargo, la técnica se
utiliza habitualmente para la identificación de mezclas complejas.
2.8 ADSORCIÓN
La adsorción es la formación de una capa de gas, líquido o sólido en la superficie de
un sólido o un líquido. Hay dos tipos dependiendo de la naturaleza de las fuerzas
involucradas. En la quimisorción se forma una única capa de moléculas, átomos o
iones unidos a la superficie de la sustancia adsorbente mediante enlace químico. En
la fisisorción las moléculas adsorbidas están unidas a la superficie mediante fuerzas
de Van der Waals, más débiles (Julián y Martínez, 1999).
Ramalho et al. (1996), define la adsorción como la concentración de un soluto en la
superficie de un sólido. Este fenómeno tiene lugar cuando se coloca dicha superficie
en contacto con una solución. Una capa de moléculas de soluto se acumula en la
superficie del sólido debido al equilibrio de las fuerzas superficiales. En el interior del
26
sólido, las moléculas están rodeadas totalmente por moléculas similares y por tanto
sujetas a fuerzas equilibradas. Las moléculas en la superficie están sometidas a
fuerzas no equilibradas. Debido a que estas fuerzas residuales son suficientemente
elevadas, pueden atrapar moléculas de un soluto que se halle en contacto con el
sólido. Este fenómeno se denomina adsorción física (o de Van der Waals). La
capacidad de adsorción es función de la superficie total del adsorbente, ya que
cuanto mayor sea esta superficie se dispone de mayor número de fuerzas residuales
no equilibradas para la adsorción.
Los componentes de la adsorción son el adsorbente y el adsorbato. La sustancia que
se deposita en la interface se llama adsorbato y la sustancia en cuya superficie se
realiza la adsorción, adsorbente (Aguilar, 1985).
La mayoría de los sólidos no tienen una superficie homogénea o plana, por lo
general el adsorbente debe ser un sólido poroso (cualquier material que contenga
cavidades, canales o intersticios) (Araiza, 2014).
En el caso de los sólidos porosos, especialmente en el caso de las zeolitas la
adsorción ocurre fundamentalmente en los poros. La IUPAC reconoce tres tipos de
poros atendiendo a su tamaño. Si son mayores de 50 nm se reconoce como
macroporos, si su diámetro está comprendido entre 2 y 50 nm se trata de mesoporos
y si son menores de 2 nm son microporos. Si la distancia entre dos superficies es
suficientemente corta, los potenciales de adsorción se suman, de forma que una
molécula situada en el interior del poro se ve atraída por toda la superficie del poro
aumentando la fuerza con la que se ve atraída, es decir cuando el tamaño de poro
disminuye se mejora el confinamiento de la molécula adsorbida produciendo un
incremento significativo del potencial de adsorción (García, 2005).
Las isotermas de adsorción son muy útiles para la caracterización de sólidos
porosos. La IUPAC reconoce 6 tipos de isotermas de adsorción (García, 2005). En la
figura 1 se muestra un esquema de cada una de ellas.
27
Fig. 3. Tipos de isotermas según la IUPAC.
*P/PO = Presión relativa
Dentro de estos 6 tipos de isotermas la que más interesa es la isoterma tipo I, ya que
es la que presentan la mayoría de las zeolitas (García, 2005).
2.9 ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
El adsorbato libre y el adsorbato adsorbido están en equilibrio dinámico y la fracción
de recubrimiento de la superficie depende de la concentración de adsorbato en
recubrimiento (Aguilar, 1985). La variación de la cantidad de la sustancia adsorbida
(fracción de recubrimiento) a una concentración (o presión de equilibrio) y
temperatura dadas, se le llama isoterma de adsorción (Atkins et al., 2008).
28
2.9.1 Isoterma de Langmuir
Aguilar (1985), describe la isoterma de Langmuir como una de las ecuaciones en la
teoría de la adsorción más conocidas, teórica y experimentalmente mejor
fundamentada, y que para la deducción de esta isoterma, se parte de los siguientes
postulados:
a) La superficie del adsorbente es homogénea energéticamente;
b) No hay interacción entre las moléculas adsorbidas;
c) La adsorción termina cuando se alcanza la formación de monocapa;
d) Las moléculas adsorbidas no se desplazan por la superficie del adsorbente;
e) En unas condiciones dadas (concentración y temperatura) se establece el
equilibrio entre moléculas adsorbidas y moléculas en la fase gaseosa (o
líquida)
En base a lo anterior, y para describir el proceso de la isoterma de Langmuir, se
igualan los procesos de adsorción y desorción para dar una expresión que
represente el equilibrio de adsorción; la expresión dada es la siguiente:
𝑉=
𝑉𝑚∗𝐾∗𝑃
(1−𝐾∗𝑃)
(Ec.1)
En donde:
V = cantidad adsorbida por peso unitario de adsorbente (mg g-1).
Vm, K = constantes empíricas.
P = concentración de equilibrio del adsorbato en solución después de la adsorción
(mg L-1).
La forma general de la isoterma de Langmuir se observa en la siguiente figura:
29
Fig. 4. Forma general de la isoterma de Langmuir.
Fuente: http://infohost.nmt.edu/~jaltig/Langmuir.pdf
Para comprobar si los resultados experimentales (isoterma de adsorción) cumplen
con la teoría de Langmuir, la isoterma se trasforma en su forma lineal:
𝑃
𝑉
=
1
𝑉𝑚∗𝐾
+
1
𝑉𝑚
𝑃
(Ec. 2)
En caso del cumplimiento de la isoterma de Langmuir la función P/V = f (P), debe ser
expresada en línea recta cuya pendiente es igual a 1/Vm, para cualquier temperatura
y el segmento 1/Vm*K aumenta exponencialmente con la temperatura.
30
Fig. 5 Forma lineal de la isoterma de Langmuir
(Atkins et al., 2008).
La isoterma de Langmuir se refiere al caso ideal de la adsorción sobre una superficie
homogénea. Este tipo de isoterma se observa frecuentemente, pero frecuentes son
también las desviaciones de éstas. La causa de estas desviaciones consiste en que
las superficies reales son heterogéneas y además las moléculas adsorbidas
interaccionan entre sí. Sin embargo, se puede decir que la isoterma de Langmuir en
la teoría de la adsorción es tan importante como las leyes de los gases ideales en la
teoría cinética de los gases. Para tomar en cuenta la heterogeneidad de las
superficies y la interacción entre las moléculas adsorbidas hay que introducir en la
isoterma de Langmuir coeficientes de corrección para dar una descripción más real a
la cinética de los procesos de adsorción y catálisis sobre las superficies reales
(Atkins et al., 2008).
2.9.2 Isoterma de Freundlich
La isoterma de Freundlich (empírica), se describe mediante la ecuación tres.
1
𝑉 = 𝐾𝑃𝑛
(Ec.3)
31
Dónde:
V = cantidad adsorbida por peso unitario de adsorbente (mg L-1).
K y n = son ciertas constantes empíricas que dependen de la temperatura (n
generalmente mayor que la unidad)
P = concentración de equilibrio del adsorbato en solución después de la adsorción
(mg L-1).
Esta isoterma no puede aplicarse para presiones o concentraciones muy altas, ya
que en estas condiciones, de acuerdo a la ecuación pasada, la cantidad de sustancia
adsorbida tiende al infinito. Experimentalmente se ha encontrado que al aumentar la
presión (concentración) se alcanza rápidamente el estado de saturación y la presión
prácticamente no influye en V, y por eso la isoterma de Freundlich, en la mayoría de
los casos, se usa para grados de cobertura moderados (intermedios). Para
comprobar con el cumplimiento de la ecuación 3, se grafica en coordenadas log V –
log P, obteniéndose en este caso una línea recta (Aguilar, 1985). Es decir la
representación de log V frente a log P debe dar una línea recta.
1
log 𝑉 = log 𝐾 + (𝑛) log 𝑃
(Ec.4)
Diferentes isotermas reproducen los datos experimentales más o menos bien en un
intervalo restringido de presiones (concentraciones), pero en gran parte siguen
siendo empíricas. Empíricas, sin embargo, no significa inútiles pues, si se conocen
los parámetros de una isoterma razonablemente fiable, se pueden obtener resultados
bastante fiables del grado de cubrimiento superficial en diferentes condiciones
(Atkins et al., 2008).
32
2.10 Cinética de adsorción
El estudio de la cinética de adsorción en las aguas residuales es importante porque
permite entender mejor la ruta de reacción y el mecanismo de la reacción. Además,
es importante para predecir el tiempo en que el adsorbato será removido de la
solución acuosa y así poder diseñar una planta de tratamiento adecuada. Cualquier
proceso de adsorción es controlado por las siguientes etapas (Neill et al., 1999):
Transporte externo: El transporte de masa por difusión de las moléculas del
adsorbato desde la fase fluida a la superficie del sólido.
Transporte interno: El transporte del adsorbato en el interior de la partícula por
migración de las moléculas de la superficie externa del adsorbente hacia la superficie
dentro de los poros y/o por difusión de las moléculas del adsorbato a través de los
poros de la partícula.
Proceso de adsorción: Las moléculas en los poros son adsorbidas de la solución a
la fase sólida. Esta etapa es relativamente rápida, comparada con los dos primeros
pasos; por lo tanto, se asume el equilibrio local entre las dos fases.
En el modelado cinético estos tres pasos se encuentran agrupados, la aplicación del
modelo cinético solo depende de la concentración inicial y final de la solución a
diferentes intervalos de tiempo.
2.11 ZEOLITA
Las zeolitas son una familia de minerales aluminosilicatos hidratados altamente
cristalinos que al deshidratarse desarrollan, en el cristal ideal, una estructura porosa
con diámetros de poro mínimos de 3 a 10 angstroms; dicha estructura forma
cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con gran libertad de
movimiento (ambos) que permiten el intercambio iónico y la deshidratación
33
reversible. Esta última propiedad dio origen al nombre genérico de zeolita la cual
deriva de dos palabras griegas, zeo: que ebulle, y lithos: piedra. Se designadas
también como polímeros inorgánicos de origen volcánico, formados por tetraedros de
(AlO4)-4 y (SiO4)-4, comúnmente se les encuentra como cristales finos de origen
hidrotérmico en geodas y fisuras de rocas volcánicas o como masas microcristalinas
de origen sedimentario (Bosch y Schifter, 1997).
Las zeolitas naturales tienen ventanas de tamaño limitado (“tamaño de poro”) y todas
son hidrofílicas (tienen afinidad por el agua). Algunas zeolitas sintéticas se parecen al
carbón absorbente, dado que ambas pueden considerarse hidrofóbicas (tienen
afinidad por los compuestos orgánicos, con poca o ninguna afinidad por el agua), y
pueden adsorber vapores orgánicos con moléculas de tamaño más pequeño que el
de sus poros. Tanto el carbón como la zeolita pueden adsorber agua y moléculas
orgánicas; sin embargo, aquello por lo que tenga mayor afinidad, desplazará las
demás moléculas. La zeolita tiene un “tamaño de poro” uniforme, lo cual hace que se
le denomine como un “tamiz molecular”, mientras parece que los carbones tienen
poros que se comunican con poros más pequeños que a su vez se comunican con
poros todavía más pequeños ad infinitum. “El carbón absorbente”, el cual es en
realidad un adsorbente, también tiene afinidad por el agua en algunos sitios, lo que
disminuye su capacidad para adsorber las moléculas orgánicas de las corrientes que
contienen moléculas de agua. Esto puede ser cierto o no en el caso de la zeolita,
dependiendo del tipo de zeolita que se seleccione. Generalmente, entre mayor sea la
razón de silicio y aluminio, más hidrofóbica es la zeolita. Las zeolitas hidrofóbicas
tienen que ser sintetizadas, ya que no se encuentran en la naturaleza (EPA, 1999).
2.11.1 Estructura de zeolita
La estructura de las zeolitas presenta largos canales y huecos de intercomunicación
que ocupan los cationes y las moléculas de agua. Las moléculas de agua se
introducen en los huecos sin participar en la cohesión de la red. Desde el punto de
vista estructural se consideran diferentes grupos de zeolita, cada uno de estos
34
presenta una unidad estructural común, la que consiste en un arreglo específico de
los tetraedros (Al, Si)-4, ésta es conocida como “unidad primaria de construcción”
constituido por cuatro átomos de oxígeno alrededor de un átomo central, de Si o Al.
Los oxígenos de los vértices comparten dos tetraedros, por lo que puede decirse que
cada átomo central de sílice o de aluminio, esta enlazado a sus cuatro átomos
vecinos a través de un oxígeno intermedio (Hernández, 1996).
Fig. 6 Oxígenos compartidos por dos tetraedros
(Hernández, 1996)
Es por ello que la zeolita presenta
variados tipos de canales y uniones,
considerándosele un tamiz molecular.
2.11.2 Clinoptilolita
La clinoptilolita es miembro del grupo de la heulandita dentro de las zeolitas
naturales. En la clinoptilolita el catión predominante es el Na+ mientras que en la
heulandita el catión predominante es el Ca2+ (Hernández, 1996).
La clinoptilolita es muy estable a la deshidratación, y por lo tanto el agua se adsorbe
con facilidad igual que el CO2. Su estabilidad térmica al aire es de aproximadamente
35
700 °C, es decir que cuando se alcanza esta temperatura su estructura no logra
destruirse (Hernández, 1996).
La celda unitaria de la clinoptilolita es monoclínica de cara centrada y es usualmente
caracterizada en la base de 72 átomos de oxigeno (n=36) y 24 moléculas de agua
con K+, Ca2+, Mg2+ y Na+ como los cationes más comunes de cargas balanceadas
representativos de una celda unitaria para la forma siguiente (Ackley et al., 1992):
(Na, K)6 (Al6 Si30 O72) • 24 H2O
Fig. 7. Estructura de la Clinoptilolita
(Hernández, 1996)
36
La clinoptilolita, como lo cita Hernández (1996) y como se observa en la Fig. 5,
posee un sistema de tres canales: el canal A de 10 miembros con dimensiones de
4.4 por 7.2 Å, en el cual están ubicados los Ca2+, Mg2+ y Na+ generalmente. El canal
B, a su vez es de 8 miembros y tiene dimensiones de 4.1 por 4.7 Å y en él se
encuentran ubicados los Ca2+ y Na+ en menor proporción. Finalmente el canal C es
de 8 miembros con dimensiones de 4 por 5.5 Å donde los iones de K+ son los
cationes principales que se encuentran en este canal. Los canales A y B son
perpendiculares al canal C.
Así, su estructura está constituida por celdas elementales de tetraedros de (Si, Al)4,
y cerca del 34% del volumen de los cristales deshidratados es espacio vacío. Por
otro lado la relación Si/Al en esta zeolita está comprendida dentro de un rango de
4.25 a 5.3, donde el principal catión para el intercambio es el sodio, aunque también
se puede efectuar con el calcio y el potasio, entre otros.
2.12 RODAMINA B
La rodamina B, como lo cita Ramírez (2013), se usa ampliamente como colorante en
textiles y productos alimenticios y es un conocido marcador fluorescente en aguas.
Es dañino por la ingesta en seres humanos y animales, causa irritación a la piel, ojos
y tracto respiratorio. La carcinogenicidad, toxicidad reproductiva y del desarrollo,
neurotoxicidad y toxicidad crónica hacia los seres humanos y animales se han
demostrado experimentalmente. Fue el primer colorante naranja empleado para la
investigación del agua subterránea. Su fluorescencia varía con cambios grandes de
salinidad, pero no se ve afectado por el pH (5 a 10) y sí por la temperatura o los
sólidos en suspensión. Es adsorbida por muchas sustancias. Sufre gran interferencia
con el alto fondo fluorescente (es especial en zonas tropicales). Resiste la
degradación bacteriana. Es un colorante tóxico estando prohibido su empleo como
trazador en los EE.UU.
37
Como se cita en Bentos (2007)
estudios recientes se ha determinado que la
rodamina B puede reaccionar con el nitrito (NO2 -) formando el compuesto
cancerígeno di-etilnitrosamina. Además los estudios en huevos de ostras del Pacifico
y peces (salmones y truchas) señalan que la Rodamina B tiene efectos sobre estos
organismos a concentraciones mayores a 10 ppm.
2.13 PROCEDIMIENTO
TEÓRICO DE DISEÑO DE UN FILTRO DE ADSORCIÓN EN ZEOLITA
ACTIVADA.
En la mayoría de las ocasiones la adsorción se realiza sin que nunca se establezcan
las condiciones de equilibrio ni de estado estacionario. La única forma segura de
diseñar un sistema de adsorción es realizando ensayos a escala semipiloto bajo
condiciones similares a las de la operación a escala real.
El procedimiento de diseño de un filtro se basa en la ecuación desarrollada por
Bohart y Adams. Se discuten los siguientes aspectos (Ramalho et al., 1996):

Ecuación de Bohart y Adams sobre funcionamiento de un filtro de adsorción.

Ensayos de laboratorio con filtros a escala semipiloto para obtener los
parámetros necesarios del diseño.

Diseño de la unidad a escala real a partir de los datos de laboratorio.
Ecuación de Bohart y Adams:
𝐶𝑜
ln [(Ce) − 1] = ln( 𝑒 𝐾𝑁𝑜𝐷/𝑉 − 1) − 𝐾 𝐶𝑜 𝑡
(Ec.5)
Los datos requeridos sobre la eliminación de contaminantes se obtienen pasando
agua residual que contiene una cantidad conocida de contaminantes (C o) a través de
una serie de filtros y registrando los tiempos (t) a los cuales las concentraciones de
los efluentes de los filtros 1, 2, 3….n alcanzan la concentración permisible de soluto
en el efluente (Ce). Cada serie de ensayos se lleva a cabo en un caudal constante,
38
por lo que se mantiene constante la velocidad lineal (V). El efluente del primer filtro
es el primero en alcanzar el valor de Ce (se registra este tiempo); algún tiempo
después el efluente del segundo filtro alcanza el valor de C e; finalmente el efluente
del filtro n alcanza la concentración de Ce. Análogamente se registra el tiempo de n y
se suspende el ensayo. En consecuencia el experimento se lleva a cabo hasta que
se alcanza el punto de ruptura de en la última columna (Ramalho et al., 1996).
39
3. METODOLOGÍA
En el siguiente cuadro se describe de manera general y sistemática los pasos
seguidos en este trabajo.
Metodología
Acondicionamiento
Caracterizacion del
colorante
Pruebas de adsorción
por triplicado
Cinetica de adsorción
Con calor
Cromatografía en
capa fina
Elección del método
más efectivo
Calculo de un filtro
Con cloruro de
amonio
Resonancia magnetica
nuclear
Con HDTMA-Br
Espectro infrarrojo
Fig. 8. Esquema general de la estrategia de trabajo
3.1 ACONDICIONAMIENTO DE LA ZEOLITA
3.1.1 Molido y tamizado
La zeolita natural del tipo clinoptilolita, se obtuvo por medio de la empresa ZeoliCh,
ubicada en la ciudad de Chihuahua, la caracterización otorgada por dicha empresa
40
muestra que la heterogeneidad del material presenta clinoptilolita y tosudita en mayor
abundancia, cuarzo y carbonato de calcio en menores cantidades. Ésta fue triturada
con un martillo y cribada en tamices de N° 40 y N° 60, obteniendo las partículas con
un diámetro entre 0.420 mm y 0.250 mm. Posteriormente la zeolita fue enjuagada
con abundante agua destilada hasta eliminar rastro de impurezas. Para finalizar con
el acondicionamiento antes de la activación, la zeolita se secó en una estufa FAMA a
100 °C durante dos horas.
Fig. 9. Lavado y secado de zeolita
3.1.2 ACTIVACIÓN TÉRMICA
Para esta activación se siguió la metodología de Tiburcio-Munive et al., (2010), en
donde 50 gramos de zeolita descrita en el punto 3.1.1 se colocaron en una cápsula
de porcelana y se sometió a 400 °C por 20 minutos. Posteriormente se dejó enfriar a
temperatura ambiente, se envasó y se etiquetó con los datos correspondientes hasta
la prueba de adsorción.
3.1.3 ACTIVACIÓN CON CLORURO DE AMONIO (NH4CL)
En esta activación se siguió la estrategia de Ramos et al., (2004), colocando 50
gramos de zeolita descrita en el punto 3.1.1 en un matraz Erlenmeyer de 1 L,
agregando 900 mL de una solución intercambiante de NH4Cl con concentración 2M.
41
La solución y la zeolita se sometieron a reflujo y se mantuvo a una temperatura de 90
°C durante 12 horas y se dejó enfriar durante las 12 horas siguientes. Al término del
proceso se separó la zeolita de la solución por decantación, se enjuagó con agua
destilada, y se secó en la estufa a 110 °C durante 24 horas. La zeolita al término de
dicho proceso se enfrascó y etiquetó debidamente hasta su uso en las pruebas de
adsorción.
Fig. 10. Activación con NH4Cl de zeolita.
3.1.4 ACTIVACIÓN CON HDTMA-BR
Se
utilizó
como
surfactante
una
amina
cuaternaria
(Bromuro
de
Hexadeciltrimetilamonio) adquirido en Sigma Aldrich con un grado de pureza del 98%
usado para la modificación de la superficie de la zeolita. Para esta activación se
utilizó, de la misma manera que las activaciones anteriores, 50 gramos de zeolita del
42
punto 3.1.1. siguiendo la metodología de activación de Armagan et al., (2003),
colocándola en un matraz Erlenmeyer con una solución de HDTMA-Br al 2.10-2 M,
durante 2 horas a 200 rpm y 21 ± 2 °C. Al término de dicho tiempo se separó la fase
líquida de la sólida por medio de centrifugación a 400 rpm durante 15 minutos; los
sólidos obtenidos se lavaron por duplicado con agua destilada eliminando la mayor
cantidad de espuma posible. Los sólidos enjuagados se sometieron de nuevo a
centrifugación, separando de nuevo la fase sólida de la líquida y metiendo la primera
a la estufa a 100 °C durante 2 horas para su secado. Al dejar enfriar la zeolita, ésta
fue guardada y etiquetada hasta las pruebas de adsorción.
Fig. 11. Zeolita en contacto con HDTMA-Br.
3.2 CARACTERIZACIÓN DEL COLORANTE DE PRUEBAS Y EL DE LA MUESTRA OBTENIDA EN LA
REGIÓN SEDEÑO
La caracterización entre el colorante usado en las pruebas y el colorante contenido
en la descarga de la región del Sedeño, tuvo como finalidad conocer si se trataba del
mismo colorante, y si ambos contenían la misma especie química característica, en
este caso rodamina B. El colorante de pruebas es de marca FASLEM, las
características según la ficha técnica del proveedor, describen un polvo morado
oscuro producto de la mezcla de colorantes artificiales de uso industrial que, en
43
solución acuosa, imprime un tono rosa brillante, soluble en agua y diversas
soluciones liquidas, es inodoro, ligeramente salado (no comestible), de textura
arenosa libre de materia extraña y como excipiente tiene cloruro de sodio. La
información proporcionada por el proveedor del colorante rosa brillante, no específica
la
composición del colorante; en el Anexo 1 se muestra la caracterización del
material y concluye que el principal componente del colorante es rodamina B.
3.2.1 Prueba en cromatografía en placa fina
Se tomó una pequeña cantidad de colorante rosa brillante de prueba y se diluyó en
metanol, de la misma manera se diluyó una pequeña cantidad de colorante obtenido
de la muestra de la descarga de la región del sedeño, esta última fue sometida a
evaporación para separar el agua del colorante. Posteriormente se tomó una muestra
de cada solución y se plasmó en una placa de gel de sílice utilizada como fase
estacionaria, y como fase móvil se utilizó una mezcla de 50% acetato y 50%hexano.
Fig. 12 Colorantes disueltos en metanol
* Izquierda: muestra del Sedeño. Derecha: colorante de pruebas.
44
3.2.2 Prueba en resonancia magnética nuclear (RNM)
Se tomaron muestras de los colorantes descritos en el punto anterior, disueltos en
metanol y se sometieron a un equipo de resonancia magnética nuclear de 400 MHz.
Fig. 13 Muestras de colorantes en tubos de vidrio sometidas a RNM
*Tubo izquierdo muestra del Sedeño. Tubo derecho colorante de pruebas.
3.2.3 Prueba de espectro infrarrojo (IR)
Para este análisis se utilizó solo el colorante en polvo de prueba, en la cual solo una
pequeña porción se sometió al equipo IR modelo Frontier FT-IR.
Fig. 14 Equipo IR modelo Frontier FT-IR
*Izquierda.- Equipo IR. Derecha.- Lectura IR del colorante de pruebas
45
3.3 PRUEBAS DE ADSORCIÓN
Para el proceso de adsorción se preparó una solución del colorante rosa brillante de
prueba con una concentración de 60 mg L-1, siendo esta concentración más pequeña
que la original de la región del Sedeño, debido a la saturación del medio en el
espectrofotómetro al hacer las mediciones.
La experimentación se realizó por lotes, con un volumen de colorante de 100 ml en
un vaso de precipitado, con tiempo de contacto de seis horas hasta alcanzar el punto
de equilibrio con una temperatura ambiente (21 °C ± 2 °C) y agitación magnética de
400 rpm para cada una de las formas de activación de la zeolita. Se tomaron
mediciones cada hora a partir del inicio de la adsorción para determinar la
concentración de colorante, para cada una de ellas se tomaron 15 ml de muestra y
se sometieron a centrifugación en una centrifugadora universal refrigerada marca
Hermle, a 3250 rpm durante 10 minutos para separar las partículas en suspensión. Al
término de este proceso se tomó una alícuota de 10 ml a la cual se le hizo medición
de su concentración con espectrofotómetro Hach DR 5000 programado previamente
con una curva de calibración. Dicho proceso descrito anteriormente se realizó por
triplicado para cada método de activación.
3.4 ISOTERMA DE ADSORCIÓN
Para la elaboración de la isoterma de adsorción del método de activación con mayor
eficiencia de remoción, se midió la capacidad de adsorción del colorante por unidad
de masa de adsorbente utilizado, en distintas concentraciones de colorante.
Se elaboraron soluciones del colorante en concentraciones de 30, 60, 90, 120 y 150
mg L-1. El volumen utilizado de cada concentración fue de 0.1 L, posteriormente se
puso en contacto con 1gr de zeolita. El tiempo de contacto se redujo a 30 min entre
mediciones debido a que en las pruebas anteriores se observó que el punto de
equilibrio se alcanzaba antes de lo establecido en el punto 3.3. La agitación,
temperatura, número de repeticiones y el proceso de centrifugado, entre mediciones,
no tuvieron cambio alguno.
46
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 RESULTADOS
DE ADSORCIÓN PARA LOS TRES MÉTODOS DE ACTIVACIÓN
En el proceso de adsorción realizado en los tres tipos de activación de la zeolita bajo
las condiciones especificadas en el punto 3.3, se obtuvieron los promedios de las
repeticiones proporcionando los siguientes datos.
Tabla 2. Adsorción en zeolita para los tres métodos de activación.
Tipo de activación
Concentración inicial
de rosa brillante (mg
-1
L )
Tiempo de contacto
(min)
Concentración final
promedio de rosa
brillante en el
-1
sobrenadante (mg L )
HDTMA-Br
60
60
2.77
120
2.40
180
2.38
60
41.01
120
39.12
180
38.64
60
52.34
120
51.08
180
51.03
NH4Cl
Térmica (400 °C)
60
60
En base a estos datos se realizó la eficiencia de remoción para cada método usando
la siguiente fórmula:
Q =
𝐴𝑜 −𝐴𝑖
𝐴𝑜
x 100
(Ec.6)
47
Dónde:
Q = eficiencia de remoción (%).
A0 = concentración inicial del colorante (mg L-1).
Ai = concentración de colorante en el equilibrio (mg L-1).
En la siguiente tabla se muestran los resultados de los cálculos de la eficiencia.
Tabla 3. Eficiencia de remoción de colorante por cada método de activación de la zeolita.
Método de activación
% de remoción de colorante
HDTMA-Br
96.03
NH4Cl
35.6
Térmica (400 °C)
14.95
En la tabla anterior se observa que el método más eficaz para la remoción de rosa
brillante es la activación de zeolita con amina cuaternaria HDTMA-Br. Al ser el
método con mejores resultados, se realizaron estudios más detallados sobre el
proceso de adsorción, como las isotermas de adsorción.
Fig. 15. Muestra de agua después de ser tratada con zeolita modificada con HDTMA-Br.
48
4.2 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DEL COLORANTE
4.2.1 Cromatografía en placa fina
Los resultados obtenidos en este análisis indican que al correr ambas muestras en la
placa de gel sílice, se observan compuestos con Rf similar y dan un primer indicio de
que se trata de una misma especie química.
Fig. 16 Cromatografía en placa fina del colorante de pruebas (1) y la muestra de Sedeño (2)
*Izquierda.- placa de cromatografía bajo luz UV de onda larga de 365 nm. Derecha.- placa de cromatografía
señalando los puntos de coincidencia y de diferencia entre ambas especies químicas.
4.2.2 Resonancia magnética nuclear.
La comparación entre el espectro del colorante de prueba y el colorante de la
descarga del Sedeño, con el reportado en National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology (AIST) (2015), sobre rodamina B, demuestra una gran
similitud. Como puede apreciarse de las Figuras 17 y 18, los espectros del colorante
empleado en las pruebas es prácticamente el mismo que el reportado en la literatura
para la rodamina B.
49
Fig. 17 Espectro de RNM de rodamina B por National Institute of Advanced Industrial Science
and Technology (AIST)
Fuente: http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi
Fig. 18 Espectro de RNM del colorante de prueba
50
Fig. 19 Espectro de RNM del colorante contenido en la descarga de la región del Sedeño
Sin embargo, en el espectro de la muestra del Sedeño se observan pequeñas
diferencias en las señales ubicadas en 6.4 y 8.3 del desplazamiento químico, el
resto es bastante similar. Esto puede ser un indicio de que el colorante del Sedeño
es un compuesto con estructura muy similar a la Rodamina B o bien que es producto
de la descomposición de la Rodamina, debido a que la muestra ha estado en
solución por un tiempo tan prolongado, y expuesto a la radiación solar.
4.2.3 Espectro infrarrojo
El espectro IR del colorante de prueba comparado con el reportado en National
Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2015), de rodamina B,
muestra tambien una similitud significativa, indicando esta que se trata de la misma
especie química. Las imágenes siguientes muestran la comparación de los espectros
IR de este análisis.
51
Fig. 20 Espectro IR de rodamina B por National Institute of Advanced Industrial Science and
Technology (AIST)
Fig. 21 Espectro de IR del colorante de prueba
*Para ver el reporte completo del IR sobre el colorante de prueba ver anexo 2
52
4.3 ISOTERMA DE ADSORCIÓN DEL DE LA ACTIVACIÓN CON HDTMA-BR
Para la elaboración de la isoterma de adsorción de este método se siguió la
metodología del punto 3.4. Los resultados obtenidos se describen en la tabla 4.
Tabla 4 Resultados de equilibrio de adsorción para el método de activación con HDTMA-Br.
Método
Activación con
HDTA-Br
Número de
Gramos de
Concentración
Concentración
zeolita
inicial de rosa
final de rosa
lote
-1
utilizada
brillante (mg L )
brillante (mg L-1)
1
1
30
1.8166
2
1
60
3.72
3
1
90
6.7966
4
1
120
10.5066
5
1
150
14.8
Al tener estos resultados se procedió a hacer el cálculo de la cantidad de soluto
adsorbida por unidad de adsorbente por medio de un balance de masa, el cual se
describe con la siguiente fórmula:
𝑞𝑒 =
(𝐶1−𝐶𝑒)∗𝑉
1000∗𝑚
(Ec. 7)
En donde:
qe = es la cantidad de colorante adsorbido por gramo de adsorbente (mg g-1)
C1 = es la concentración inicial del colorante (mg L-1)
Ce = es la concentración del colorante en equilibrio (mg L-1)
V = es el volumen de la solución (mL)
m = es la masa del adsorbente (g)
53
En la tabla 5 se muestran los resultados del balance de masa para cada
concentración.
Tabla 5 Resultados del colorante adsorbido por unidad de masa en el equilibrio de adsorción
para la activación de zeolita con HDTMA-Br.
Cantidad de colorante
Concentración inicial
de rosa brillante ( mg
-1
L )
Concentración final
-1
(mg L )
adsorbido por gramo de
1
30
1.8166
2.81834
2
60
3.72
5.628
3
90
6.7966
8.32034
4
120
10.5066
10.94934
5
150
14.8
13.52
Número de lote
-1
adsorbente (mg*g )
Con los datos de la tabla cinco, se calculó la isoterma de equilibrio de adsorción,
graficando en el eje de las abscisas la concentración final en equilibro, y en el eje de
las ordenadas, la cantidad de sorbato adsorbido por unidad de adsorbente, lo que se
muestra en la figura 22.
54
Ce (mg L-1)
Isoterma de adsorcion (HDTMA - Br)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
13.52
10.94934
8.32034
5.628
2.81834
0
2
4
6
8
qe (mg
10
12
14
16
g-1)
Fig. 22. Isoterma de adsorción del método de activación de zeolita con HDTMA-Br.
4.4 AJUSTE DE LOS RESULTADOS A LOS MODELOS DE ISOTERMAS DE LANGMUIR Y
FREUNDLICH
Los datos experimentales obtenidos del equilibrio de adsorción, se ajustaron a las
isotermas de Langmuir y Freundlich, ello debido a que ambas describen el
comportamiento no lineal del equilibrio de adsorción. A continuación se muestran las
imágenes de las isotermas de Langmuir y Freundlich en su forma lineal usando los
datos experimentales.
4.4.1 Ajuste de la Isoterma de Langmuir
Los datos utilizados para el ajuste de a la isoterma de Langmuir son los utilizados en
la tabla 6.
Se debe comparar la ecuación de Langmuir en su forma lineal (Ec. 2) con la de la
pendiente (Ec. 8):
55
Tabla 6 Ajuste de los datos usados en la linealización de la ecuación de Langmuir
P
1.8166
3.72
6.7966
10.5066
14.8
P/V
0.64456382
0.66098081
0.81686566
0.95956469
1.09467456
*P/V es la concentración en equilibrio de adsorbato en solución después de la adsorción entre la
cantidad adsorbida de adsorbato por peso unitario de adsorbente
𝑃
1
1
=
+
𝑃
𝑉
𝑉𝑚 ∗ 𝐾
𝑉𝑚
𝑦=𝑚∗𝑏
(EC. 8)
Al graficar los datos de la tabla 6 se obtiene la forma lineal de la isoterma de
Langmuir de los datos experimentales, la cual se observa en la figura 23.
Isoterm lineal de Langmuir
1.2
P/V ,(mg*L-1)
1
0.8
y = 0.0368x + 0.5585
R² = 0.9873
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
15
20
P, (mg*L-1)
Fig. 23 Isoterma lineal de Langmuir con los datos experimentales del método de activación
con HDTMA-Br.
56
De la ecuación que describe la pendiente de la ecuación de Langmuir linealizada se
obtienen las constantes de regresión lineal:
y = 0.0368x + 0.5585
𝑦 = 𝑚 ∗ 𝑏𝑥
m = 0.5585
b = 0.0368
Al hacer la analogía entre las ecuaciones dos y siete puede decirse que:
b=
𝑉𝑚 =
1
𝑉𝑚
1
1
=
= 27.1739
𝑏
0.0368
Por tanto se puede calcular K:
𝑚=
1
𝐾 ∗ 𝑉𝑚
𝐾∗𝑚 =
𝐾=
1
𝑉𝑚
1
1
=
= 0.06589
(𝑉𝑚 ∗ 𝑚) (27.1739 ∗ 0.5585)
En la tabla 7 se muestran los parámetros del ajuste de la isoterma de Langmuir.
Tabla 7 Constantes de la isoterma de Langmuir de la activación de zeolita con HDTMA-Br.
Método
Vm
K
R2
HDTMA-Br
27.1739
0.06589
0.9873
57
Con los datos de la tabla anterior se puede determinar cuál es el punto de saturación
por gramo de zeolita activada con surfactante, pues la constante Vm en sí misma
determina dicho valor, es decir, la saturación máxima para un gramo de zeolita para
estas condiciones es de 27.1739 mg g-1.
4.4.2 Ajuste de la isoterma de Freundlich
Los datos que se utilizan de la tabla 8 los utilizados para la linealización de la
ecuación de Freundlich.
Tabla 8 Datos para la linealización de la ecuación de Freundlich.
(V)
1.8166
3.7200
6.7966
10.5066
14.8000
(P)
2.8183
5.6280
8.3203
10.9493
13.5200
Comparando la ecuación de Freundlich en su forma lineal (Ec. 4) con la ecuación de
la pendiente (Ec. 8), tenemos:
log 𝑉 = log 𝐾 +
1
log 𝑃
𝑛
𝑦 = 𝑚 ∗ 𝑏𝑥
Por lo tanto se tienen los datos de la tabla 9:
Tabla 9 Logaritmos de los datos usados en la linealización de la ecuación de Freundlich.
Log P
0.25925931
0.57054294
0.83229171
1.0214622
1.17026172
log V
0.44999338
0.75035409
0.92014107
1.03938794
1.13097669
58
Al graficar la tabla 9 se obtiene la forma lineal de la isoterma de Freundlich de los
datos experimentales, figura 24.
Isoterma lineal de Freundlich
1.4
Log V,(mg g-1)
1.2
y = 0.736x + 0.2909
R² = 0.9886
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Log P, (mg
1
1.2
1.4
L-1)
Fig. 24 Isoterma lineal de Freundlich con los datos experimentales del método de activación
de zeolita con HDTMA-Br.
De la ecuación que describe la pendiente, se obtienen las constantes de regresión
lineal, como se explicó con anterioridad
𝑦 = 𝑚 ∗ 𝑏𝑥
𝑦 = 0.736𝑥 + 0.2909
m = 0.2909
b = 0.736
Como se hizo la analogía entre la ecuación lineal de Freundlich y la de la pendiente
puede decirse que:
m = log (K)
0.2909 = log (K)
59
Por lo tanto:
K= 10^(0.2909)
K= 1.9553889504
Para calcular la constante “n”, se tiene que:
b = 1/n
1/n = 0.736
n= 1/0.736
n=1.358695652
En la tabla 10 se muestran los parámetros de ajuste de la isoterma de Freundlich.
Tabla 10 Constantes de la isoterma de Freundlich de la activación de zeolita con HDTMA-Br.
Método
K
N
R2
HDTMA-Br
1.9553889504
1.358695652
0.9886
4.5 SATURACIÓN EXPERIMENTAL
Para comprobar la saturación de la zeolita experimentalmente, se sometieron 5
gramos de zeolita activada, repetidas veces a distintos lotes con una concentración
de 800 mg*L-1 con un volumen de 100 ml. En la tabla siguiente se observa la
cantidad de masa adsorbida en cada lote:
60
Tabla 11. Datos de saturación de la zeolita activada con HDTMA-Br.
Lote
Concentración
Concentración final
-1
-1
Masa adsorbida / masa de
-1
inicial (mg L )
(mg L )
adsorbente (mg g )
1
800
180.6
12.388
2
800
380.6
8.28
3
800
592.3
4.154
4
800
791.1
0.178
Al sumar todos los resultados de la masa adsorbida por gramo de adsorbente se
tiene 25 mg g-1. Como se puede observar el resultado es muy similar al obtenido en
los cálculos con la isoterma de Langmuir.
4.6 DISEÑO TEÓRICO DEL FILTRO DE ZEOLITA
Para el diseño teórico del filtro se tomaron en consideración por Ramalho et al.,
(1996) y algunos datos de la parte experimental de este trabajo:
Fig. 25. Concepto de profundidad crítica del lecho
(Ramalho et al., 1996)
61
Co = Concentración inicial del agua residual a tratar (mg L-1).
CE = Concentración del efluente (la deseada) (mg L-1).
t = tiempo transcurrido hasta alcanzar el punto de ruptura (tiempo de servicio)
(días).
Do = la profundidad teórica del adsorbente para evitar que la concentración de
soluto en el efluente exceda el valor CE. (se define en t = 0, y Do < D) (m)
D = la profundidad real del lecho (m).
Para Co se utilizó la concentración de 6.625 g L-1 (6,625 mg L-1), determinada en el
anexo 3, pues es la concentración de descarga en la región del Sedeño, y para CE
una concentración de 2 mg L-1. Mientras que t, Do y D son definidos en las pruebas
piloto.
La transferencia de masa del adsorbato en la fase líquida hacia el adsorbente tiene
lugar en una faja de altura Do. La altura critica de lecho (Do), también frecuentemente
llamada altura de la zona de transferencia de masa, siendo designada HMTZ, del
inglés “height of the mass transfer zone”. La velocidad de desplazamiento de esta
zona de transferencia de masa está dada por:
𝑉𝐻𝑀𝑇𝑍 = (𝐷 − 𝐷𝑜 )/𝑡
(Ec.9)
La capacidad de adsorción máxima (No) también es una importante variable de
diseño, y esta fue definida en pruebas realizadas en este trabajo, siendo esta de 25
mg g-1.
A partir de la ecuación 5 se desarrolla una ecuación para Do, haciendo t = 0 y
despejando D (que es igual a Do en este caso), quedando de la siguiente manera:
𝑉
𝐶
𝐷𝑜 = (𝐾𝑁 ) ln[(𝐶𝑂 ) − 1]
𝑜
𝐸
(Ec. 10)
62
La expresión para el tiempo de servicio se tiene despejando t de la ecuación 5 y
despreciando el término unidad entre paréntesis en el primer miembro al compararlo
con el término no exponencial se tiene:
𝑁𝑜
𝑡 = (𝐶 𝑉) 𝐷 − ln
𝐶
[( 𝑂)−1]
𝑂
𝐶𝐸
𝐾𝐶𝑂
(Ec. 11)
Otro parámetro que aparece en la ecuación de Bohart y Adams es la constante de
velocidad “K”. Supone una velocidad de adsorción de primer orden y en la ecuación
10 se revela que la representación de t en función de D conduce a una línea recta en
la cual la ordenada en el origen (i) es:
𝑖 = − ln
𝐶
[( 𝑜 )−1 ]
𝐶𝐸
𝐾𝐶𝑂
(Ec.12)
Por tanto se puede definir K:
𝐾 = − ln
𝐶
[( 𝑜 )−1 ]
𝐶𝐸
𝑖𝐶𝑂
(Ec. 13)
Los filtros deben proyectarse para trabajar dentro de un ancho campo de condiciones
de funcionamiento. El mejor camino para asegurar la configuración de un filtro en su
aplicación y funcionamiento adecuadamente es llevar a cabo estudios en plantas
piloto.
A causa de numerosas variables que pueden analizarse, debe tenerse cuidado en no
cambiar más de una variable al mismo tiempo, así como no confundir los resultados
en un sentido estadístico. Los ensayos deben llevarse a cabo en periodos diversos,
idealmente a lo largo de todo el año, para evaluar las variaciones estacionales de las
características del efluente a filtrar (Metcalf y Eddy, 1985).
63
5. CONCLUSIONES
En base a los resultados obtenidos se puede decir que la zeolita es factible de ser
usada para el proceso de adsorción. El método más eficaz para la remoción de rosa
brillante fue la activación con surfactante HDTMA-Br, en comparación con la
activación térmica y con NH4Cl.
El resultado de remoción en las pruebas establecidas fue superior de lo que se
esperaba siendo ésta de 96.03% para el método de activación con HDTMA.Br.
Los resultados experimentales se ajustaron a la ecuación de Langmuir, obteniendo
un adsorción máxima de 27.1738 mg g-1. En la saturación experimental se obtuvo una
saturación de 25 mg g-1, siendo este último resultado muy similar al obtenido en el
análisis mediante la ecuación de Langmuir.
La capacidad de adsorción máxima de la zeolita activada con HDTMA-Br es baja
para tratar la concentración de 6,625 mg L-1 presente en el efluente de la región del
Sedeño, en consecuencia las cantidades de zeolita y el costo de activación serían
demasiado elevados.
El uso de rosa brillante para la tinción de papa es una situación que debe evitarse, ya
que la especie química que contiene muy probablemente es rodamina B, como
principal activo, y su uso no es autorizado para alimentos.
Los parámetros del filtro de zeolita definen los aspectos básicos del diseño, algunos
de ellos se determinados en la experimentación de este trabajo. Debe insistirse en
que no existe un sistema generalizado para el proyecto de filtros a escala real. La
causa principal se debe a la variabilidad de las características del efluente, sin
embargo cabe recalcar que el diseño es solo teórico, y para poder llevarlo a escala
real se necesita hacer pruebas a escala piloto durante determinado tiempo para
saber el comportamiento del proceso bajo ciertas condiciones.
64
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70
ANEXOS
ANEXO 1. CARACTERIZACIÓN DE ROSA BRILLANTE
La caracterización de Montoya Miranda (2015) describe que para la determinación
del activo del colorante Rosa Brillante, el cual tiene como excipiente cloruro de
sodio, se realizó una extracción en metanol, debido a que el cloruro de sodio, al ser
una sal iónica es insoluble en metanol, ya que sus iones están fuertemente atraídos,
por lo que las interacciones de atracción que puedan ejercer la débil polarización del
metanol no compensan ni justifican la separación de las fuertes y estables
atracciones entre los iones cargados de la sal.
El resultado de la extracción se
calentó por 5 horas a 50 °C, como se observa en la figura 8, el resultado de la
evaporación fue un polvo de color verde con destellos dorados, el cual se considero
era el colorante puro.
Figura 8. Colorante puro
Se rehidrataron 0.02 g de colorante puro, 0.01 g en metanol y 0.01 en agua
destilada. El color de dichas soluciones fue nuevamente una tonalidad rosa
fosforescente como se puede observar en la figura 9.
71
Figura 9. Colorante puro rehidratado en metanol
Ambas soluciones fueron sometidas a un barrido de longitud de onda, para la
solución del colorante puro en metanol la longitud de onda de máxima absorción fue
de 543 nm y para la solución de colorante puro en agua destilada la longitud de
máxima absorción fue de 553 nm. Se comparó la longitud de onda de máxima
adsorción del colorante puro en agua con la longitud de onda de máxima absorción
del agua tomada de la tina de tinción de papa y ambas fueron de 553 nm, también se
comparó la longitud de onda de máxima absorción del colorante puro en metanol con
la longitud de onda reportada en el catálogo Aldrich Sigma para el compuesto
RODAMINA B en metanol la cual es de 543 nm (ver figura 10), por lo cual se llegó a
la conclusión de que éste es el ingrediente activo del colorante rosa brillante.
Figura 10.Longutud de máxima absorción del colorante puro
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ANEXO 2. REPORTE COMPLETO SOBRE EL IR DEL COLORANTE DE PRUEBAS
73
74
ANEXO 3. DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DEL COLORANTE
Montoya Miranda (2015) determinó la concentración del efluente como lo describe a
continuación:
Mediante la curva de calibración realizada en el espectrofotómetro Hach y por
interpolación se determinó que la concentración de una disolución 1 a 50 de la
muestra tomada de la tina de tinción de papa, la dilución se utilizó para evitar que la
concentración quedara fuera del rango de concentraciones que se utilizó para
realizar la curva de calibración; la concentración obtenida fue de 132.5 mg/ L, este
valor se multiplicó por 50 debido a la dilución que se realizó de la muestra ,
obteniendo una contracción de 6.625 g/L.
75