UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
ZONA XALAPA
PROGRAMA EDUCATIVO:
INGENIERÍA AMBIENTAL
“REMOCIÓN DEL COLORANTE ROSA BRILLANTE MEDIANTE UN
PROCESO DE ADSORCIÓN”
TESIS
Que para acreditar la Experiencia Educativa:
Experiencia Recepcional
P r e s e n t a:
C. Marlen Lizeth Montoya Miranda
Asesor:
Dra. Ma. Teresa Leal Ascencio
Xalapa, Ver., Mayo 2015
Índice
Introducción................................................................................................................................. 4
Capítulo 1........................................................................................................................................... 6
1.- Generalidades ....................................................................................................................... 6
1.1 Antecedentes .................................................................................................................... 6
1.2 Planteamiento del problema ........................................................................................ 9
1.3 Justificación .................................................................................................................... 10
1.4 Objetivo General ............................................................................................................ 10
1.5 Objetivos específicos ................................................................................................... 10
1.6 Hipótesis .......................................................................................................................... 10
Capítulo 2......................................................................................................................................... 11
2.- Marco teórico ....................................................................................................................... 11
2.1 Clasificación de los colorantes.................................................................................. 13
2.2 Métodos de tratamiento de efluentes con contenido de colorantes ............... 16
2.3 Adsorción ....................................................................................................................... 20
2.4 Biosorción ....................................................................................................................... 22
2.5 Cinética de adsorción.................................................................................................. 23
2.6 Carbón activado ............................................................................................................ 25
2.7 Producción de papa ...................................................................................................... 33
2.8 Normatividad................................................................................................................... 37
Capítulo 3......................................................................................................................................... 40
3. Metodología ........................................................................................................................... 40
3.1 Etapa 1 Estudio del colorante utilizado en la tinción de papa rosa ................. 41
3.2 Etapa 2 Evaluación de la adsorción ........................................................................ 43
3.3 Etapa 3 Evaluación de la cinética de adsorción................................................... 46
Capítulo 4......................................................................................................................................... 47
4. Resultados y discusión ...................................................................................................... 47
4.1 Parámetros fisicoquímicos ......................................................................................... 47
4.2 Evaluación de la adsorción ......................................................................................... 51
4.3. Determinación de la cinética de adsorción ........................................................... 54
Capítulo 5......................................................................................................................................... 65
5. Conclusiones ........................................................................................................................ 65
Bibliografía ................................................................................................................................... 67
1
Índice de Tablas
Tabla 1. Sustratos principales, los métodos de aplicación y estructura química para cada clase de
colorantes.......................................................................................................................................... 13
Tabla 2. Tratamientos para la remoción de colorantes .................................................................... 18
Tabla 3. Variedades de papas sembradas ......................................................................................... 36
Tabla 4. Toneladas de papa producidas en el estado ....................................................................... 36
Tabla 5. Parámetros fisicoquímicos .................................................................................................. 41
Tabla 6. Resultados de los parámetros fisicoquímicos ..................................................................... 47
Tabla 7 .Propiedades del colorante Rodamina B ................................................................................ 51
Tabla 8. Concentración de colorante contra tiempo sobre carbón activado Sigma ........................ 52
Tabla 9. Concentraciones de colorante contra tiempo sobre Carbón activado comercial Fisher .... 52
Tabla 10. Concentración de colorante contra tiempo sobre Carbón vegetal activado .................... 53
Tabla 11. Concentración del colorante respecto al tiempo sobre fibra de coco .............................. 53
Tabla.12 Constantes de equilibrio de los diferentes adsorbentes evaluados ................................. 54
Tabla 13.Estudios de remoción de colorantes mediante carbones activados .................................. 55
Tabla 14.Biosorcion de colorantes con residuos agroindustriales ................................................... 58
2
Índice de Figuras
Figura 1. Estructura de un carbón activado ............................................................................... 26
Figura 2. Granulo de carbón activado ......................................................................................... 27
Figura 3 Esquema del carbón (a) Antes de la activación, y (b) Después de la activación.29
Figura 4. Producción nacional de papa........................................................................................ 34
Figura 5.Regiones de producción de papa en el estado.......................................................... 35
Figura 6. Metodología a seguir..................................................................................................... 40
Figura 7. Comparación de las curvas de absorción de los colorantes comerciales y la
muestra de agua de la tina de tinción de papa .......................................................................... 47
........................................................................................................................................................... 49
Figura 8. Colorante puro ............................................................................................................... 49
Figura 9. Colorante puro rehidratado en metanol ..................................................................... 49
Figura 10.Longutud de máxima absorción del colorante puro ................................................ 50
Figura 11. Estructura química del colorante Rodamina B. (a) Forma catiónica; (b)
Estructura en tres dimensiones. .................................................................................................... 50
Figura 12. Comparación de la capacidad de adsorción del colorante rosa brillante en los
adsorbentes probados ................................................................................................................... 55
Figura 13. Comparación de remoción de colorantes por gramo de adsorbente .................. 56
Figura 14. Coeficientes de Adsorción de diferentes residuos agroindustriales .................... 58
Figura 15. Cinética de Pseudo Primer orden del Carbón activado Marca Sigma ................ 59
Figura 16.Cinética de pseudo segundo orden para el carbón activado marca Sigma. ....... 60
Figura 17. Cinética de pseudo primer Orden para carbón activado comercial Fisher. ....... 61
Figura 18. Cinética de pseudo segundo orden para carbón activado comercial Fisher ..... 61
Figura 19. Cinética de pseudo primer orden para carbón vegetal activado con H3PO4 ..... 62
Figura 20. Cinética de pseudo Segundo 0rden para carbón vegetal activado con H3PO4 . 62
Figura 21. Cinética de adsorción de pseudo primer orden para la fibra de coco................. 63
Figura 22. Cinética de adsorción de pseudo segundo para la fibra de coco. ....................... 63
3
Introducción
El término contaminación se conoce como la introducción de agentes biológicos,
químicos o físicos a un medio al cual no pertenecen. Hace tiempo que el hombre en
gran medida ha contribuido a la contaminación del medio ambiente, pero es a partir
de la revolución industrial, que este problema se ha incrementado hasta llegar a los
niveles alarmantes que hoy en día se presentan (García,2007).
De la mano con la revolución industrial y en respuesta a las necesidades de
producción se desarrollaron los colorantes sintéticos los cuales tuvieron gran
demanda en la industria textil, papelera, farmacéutica, cosmética y por supuesto en
la industria alimenticia.
Actualmente, es de uso común la utilización de colorantes
como aditivos en
productos alimenticios para consumo humano, utilizados para mejorar su apariencia
y hacerlos más atractivos para el consumidor final. Pero en afán de mejorar la
apariencia de los alimentos se genera un grave problema si se tiene en cuenta que
un 2% de los colorantes es descargado a los efluentes y el 10% es perdido durante
el proceso de coloración (Pearce y col., 2003).
En general, las moléculas de los colorantes utilizados en la actualidad son
estructuras muy variadas y complejas. La mayoría de ellos son de origen sintético,
muy soluble en agua y altamente resistente a la acción de agentes químicos y poco
biodegradables, por lo que se hace cada vez más difícil removerlos de las aguas
residuales (García,2007).
La presencia de colorantes en los cuerpos de agua tiene graves consecuencias
ambientales. Por un lado, dificultan la difusión del oxígeno y la luz produciendo
interferencia con la vida acuática, ya que afecta las actividades microbianas y la
realización de la fotosíntesis al tiempo que producen un aspecto antiestético, y por
otro son considerados como persistentes en el ambiente debido a su naturaleza
4
química, algunos de sus precursores o metabolitos son carcinogénicos, por lo que
su presencia en cuerpos de agua debe ser controlada.
Este trabajo tuvo como objetivo probar si la adsorción puede ser utilizada para la
remoción del colorante usado en la producción de papa y que actualmente llega a
los cuerpos de agua cercanos a las zonas de producción, acopio o distribución. Este
trabajo determinó el colorante y la concentración usada en la tinción de papa, así
también evaluó la remoción del mismo sobre dos tipos de adsorbente y se determinó
su eficacia.
5
Capítulo 1
1.- Generalidades
1.1 Antecedentes
Muchas son las técnicas para la remoción de colorantes que han sido utilizadas,
donde se incluyen tanto procesos físicos como químicos entre los cuales se
encuentran: ozonización, procesos oxidativos, procesos fotoquímicos, membranas
de filtración, etc. (Robinson y col., 2001). Estos métodos, pueden llegar a ser muy
efectivos, aunque son complejos y de difícil aplicación.
Actualmente existen un gran número de trabajos reportados que abordan el
tratamiento de efluentes con contenido de colorantes mediante adsorción debido a
la eficiencia en la eliminación de colorantes demasiado estables para los métodos
convencionales. Mediante la adsorción se genera un efluente de alta calidad y
puede ser un proceso económicamente factible. La primera aplicación industrial de
un adsorbente tuvo lugar en 1994 en Inglaterra donde se utilizó carbón activado
como agente decolorizante en la industria del azúcar. Esta aplicación permaneció
18 años en secreto hasta que en 1812 apareció la primera patente. En 1854 tiene
lugar su primera aplicación a gran escala cuando el alcalde de Londres ordena
instalar filtros de carbón vegetal en los sistemas de ventilación de los drenajes
(Gullon,1995).
En 1881 Kayer introduce el término adsorción para describir como los materiales
carbonizados atrapan los gases. Von Raphael Ostrejiko, quien se considera como
el inventor de carbón activado, desarrolló varios métodos para producir carbón
activado tal y como se conoce hoy en día. En 1901 patentó dos de sus métodos, el
primero consistía en la carbonización de materiales lignocelulósicos con cloruros de
metales; lo cual resultó ser la base de lo que hoy día es la activación química. El
segundo, suponía una gasificación suave de materiales previamente carbonizados
con vapor de agua o CO2; es decir una activación física.
6
Durante la primera guerra mundial el uso de agentes químicos
trajo como
consecuencia la necesidad de desarrollar filtros de carbón activo para mascarillas
de gas. Este fue el punto de partida para el desarrollo de la industria del carbón
activado, que se expandió hacia otros usos.
Es en los años 60 cuando varias plantas de aguas comenzaron a utilizar carbón
activado en forma de polvo o granular para la remoción de impurezas en el
agua.Debido a la eficiencia de remoción de colorantes en agua que se logra obtener
mediante adsorción, se ha convertido en una de las principales alternativas que
actualmente se utilizan en el tratamiento de aguas (Luna y col.,2007)
Diversos trabajos se han realizado utilizando este proceso y empleando diferentes
tipos de adsorbentes, desde carbón activado comercial hasta producido a partir de
residuos agroindustriales, con el fin de remover colorantes tanto ácidos como
básicos. Tal es el caso de Gad y El Sayed, (2009) quienes produjeron carbón
activado a partir de bagazo de caña, el tamaño de partícula utilizado fue de 0.25
mm, el agente deshidratante
fue ácido fosfórico (H3PO4) y la temperatura de
activación fue de 500°C. La eficiencia de adsorción del carbón fue probado para la
remoción de Rodamina B. El carbón activado alcanzó una capacidad de absorción
de 263.85 mg de Rodamina B por gramo de carbón activado y mostró un
comportamiento ajustable a una cinética de pseudo segundo orden.
En México, Mora (2010) realizó un estudio de remoción de colorantes de
disoluciones acuosas mediante adsorbentes producidos a partir de leña de
mezquite, el colorante seleccionado para las pruebas fue naranja ácido 24. Utilizó
aserrín de mezquite, carbón a partir de leña mezquite y carbón activado a partir de
leña de mezquite. Para activar el carbón a partir de leña de mezquite, mediante un
tratamiento térmico a 500°C y se usó cloruro de zinc como agente deshidratante. La
capacidad de adsorción reportada de los adsorbentes fue de 5.9 mg/g para el
carbón sin activar, 3.9 mg/g para el aserrín y 30.6 mg/g para el carbón activado con
cloruro de zinc.
7
En España, Mestanza (2012) realizó un estudio de materiales adsorbentes para el
tratamiento de aguas contaminadas con colorantes, en el cual seleccionó dos
colorantes de uso común el azul de metileno y el naranja II, los cuales fueron
probados en diferentes adsorbentes carbón granular F-400, bentonita y caolinita.
Los resultados mostraron una excelente remoción del azul de metileno y naranja II
para el carbón activado granular F-400, y una buena remoción de azul de metileno
sobre bentonita, pero la caolinita presentó nula remoción de ambos colorantes.
Berrugete (2013) realizó un estudio para la conversión de residuos lignocelulósicos
(cáscara de piñón) en carbón activado, para la activación se utilizó un tratamiento
térmico a 500°C, se probó ácido fosfórico (H3PO4) como agente activante y un
tamaño de partícula de 0.25mm. La eficiencia de adsorción del carbón activado se
probó con Rodamina B en solución acuosa (4mg/l).La capacidad de adsorción del
carbón activado reportada fue de 100 mg de Rodamina B por gramo de carbón
activo.
Castellar y col. (2013) en Colombia utilizaron carbón activado en una columna de
lecho fijo para evaluar su capacidad de adsorción del colorante Blue 39, iniciando
con una concentración de 200 mg/L, y obteniendo una concentración en equilibrio
entre el colorante y el carbón de 17.7 mg de colorante por gramo de carbón activado.
El adsorbente que ha probado una alta eficiencia en la eliminación de los colorantes
presentes en efluentes es el carbón activado, incluso es considerado por la Agencia
de Protección al Medio Ambiente como una de las mejores tecnologías disponibles
para la remoción de contaminación por colorantes (Derbyshire y col., 2001),pero
presenta el inconveniente de su costo.
Es así como se ha iniciado el estudio de adsorbentes económicos y eficaces,
encontrándose materiales naturales, biosorbentes, residuos de la industria o del
área agrícola. Dentro de estos están materiales de arcilla, zeolitas, desechos
agrícolas (mazorca, cascara de arroz, cascara de coco), residuos industriales
(mezclas de carbón, lodos (Yalcin y Sevinc, 2000); (Bello y col., 2002); (AbdelNasser y col., 2001).
8
Estos materiales tienen la ventaja de que se producen en grandes cantidades, son
económicos y pueden tener capacidades como sorbentes debido a la presencia de
grupos químicos activos en sus estructuras.
Ho y McKay (2003) utilizaron corteza de pino como biosorbente para la remoción de
azul ácido 25, la corteza de pino fue secada a 105°C durante 24 horas y triturada
hasta obtener partículas de 500 mm. Para evaluar la capacidad de adsorción de la
corteza de pino, se puso en contacto 1.7g de esta en una solución de 300 mg/L de
azul ácido 25, el resultado obtenido fue una capacidad de adsorción de 168 mg/g.
En la misma dirección Alves y Rocha (2008) utilizaron cascarilla de café como
biosorbente para la remoción de azul de metileno en solución acuosa, la cascarilla
de café fue lavada con agua destilada, por cada gramo de cascarilla se utilizaron
300 mL de agua, para así eliminar suciedad y color, posteriormente la cascarilla se
secó durante 5 horas a 105 °C, para evaluar la capacidad de adsorción de la
cascarilla de café, se colocó un gramo de ésta en un matraz Erlenmeyer junto con
una solución de 100 mg/L de azul de metileno. El resultado obtenido fue una
capacidad de adsorción de 90 mg de azul de metileno por gramo de cascarilla de
café.
1.2 Planteamiento del problema
En la zona centro del estado de Veracruz, la producción de papa es una de las
actividades agrícolas de mayor importancia económica, sobre todo en las regiones
de Orizaba, Naolinco y Perote. Después que la papa es cosechada, es necesario
someterla a un proceso de lavado para poder ser distribuida, pero parte de la
producción de papa además de ser lavada es sometida a una tinción de color
rosado, esto se hace en parte para maquillar las imperfecciones que el producto
pudiera tener, así como mejorar su presentación en anaquel y poder cubrir la
demanda de papa rosa que hay en el mercado. Sin embargo agua resultante de
dicho proceso es descargada a cuerpos de agua cercanos a la distribuidora de
papa, como lo es el rio Sedeño.
9
Debido a esto, existe preocupación por el impacto en la calidad del agua que dichas
descargas provocan al rio, y más aún si éstas ocurren en las partes altas de éste,
pues las zonas donde se cosecha papa se encuentran desde los 2020 hasta los
2500 m.s.n.m., lo cual implica un arrastre de la contaminación río abajo.
1.3 Justificación
Este trabajo de investigación propone una alternativa de remoción mediante
adsorción del colorante presente en las descargas de agua provenientes de
diferentes zonas de producción de papa rosa, el cual se reflejará en un beneficio
social-ambiental al proveer características del colorante descargado, así como una
propuesta para su remoción mediante adsorción, evitando así la contaminación de
los cuerpos de agua cercanos a las zonas de producción, acopio o distribución.
Contará con beneficios económicos al utilizar materiales de bajo costo y fácil
obtención.
1.4 Objetivo General
Estudiar la remoción del colorante utilizado en la tinción de papa roda mediante
un proceso de adsorción, presente en las aguas residuales descargadas al río
Sedeño producto, de la tinción de papa rosa.
1.5 Objetivos específicos
•
Identificar el colorante utilizado en la tinción de la papa rosa.
•
Determinar la concentración de colorante presente en la muestra.
•
Evaluar la adsorción y la cinética del colorante rosa brillante sobre dos
tipos de carbón adsorbentes.
1.6 Hipótesis
El adsorbente propuesto será capaz de remover el 80% de la concentración del
colorante presente en el agua residual.
10
Capítulo 2
2.- Marco teórico
El color representa parte esencial en el desarrollo del hombre en sus diversas
manifestaciones sociales y socio-culturales etc. Existen datos que demuestran que
el índigo se empleaba con la finalidad de tinción de tejidos hace más de 4.000 años
en la India de donde pasó a Egipto y a Mesopotamia, así también hay evidencias
de tejidos egipcios del 1500 a.c. teñidos de rojo con la planta llamada “rubia”
(Esteban, 2008). Hasta principios del siglo XIX se teñía con colorantes naturales
los cuales usaban materias primas como plantas, insectos y moluscos y la tintura
era considerada como un arte. La revolución industrial del siglo XIX produjo un gran
impacto en la industria con un considerable aumento de producción y con ello la
necesidad de obtener un mayor suministro de materias colorantes (Cegarra, 1998).
En 1856 el químico William Henrry Perkin sintetiza por accidente la Mauveina
(Weininger y Stermitz, 1998) dando las bases para la industria de los colorantes
sintéticos.
El color se basa en una serie de procesos físicos, químicos, fisiológicos y
psicológicos. Las sensaciones que percibe el hombre cuando observa un objeto lo
asocia con los objetos que lo rodean, esto es especialmente evidente en el área
alimentaria, donde la relación de color y sabor son muy importantes para que el
consumidor
adquiera
un
producto
con
tan
solo
el
hecho
de
verlo.
Debido a que el color es el primer impacto de los alimentos se ha tenido en algunos
casos que ir modificando su apariencia natural su mejora, agregando aditivos para
ello.
Los colorantes son sustancias orgánicas fluorescentes o de color intenso que
imparten color a una sustancia incolora, o bien a un sustrato por medio de una
absorción selectiva de luz (Moeller y Garzón, 2003). Sus moléculas están
constituidas por tres grupos funcionales, el cromóforo, que es el grupo responsable
de la absorción de la luz, dándole la propiedad de color a la molécula; los
auxócromos, que le dan afinidad por la fibra e intensifican el color; y por último el
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solubilizador, que le da afinidad a solventes diversos y está dado por la presencia
de iones como – SO3-NA+ , -NH3+Cl-, - SO2-NH2+,-O+Na+ (Marcano, 1990).
Según su origen los colorantes se pueden clasificar en naturales siendo obtenidos
de fuentes animales o vegetales y los artificiales (Moeller y Garzón, 2003).
El uso de los colorantes sintéticos es de amplia extensión en las industrias papelera,
farmacéutica, textil, alimentaria entre otras.
La cantidad exacta de colorantes orgánicos sintéticos producidos en el mundo es
desconocida, aunque los informes financieros calculan su aumento continuo en el
mercado mundial hasta alrededor de 11 billones de dólares, en 2008 la producción
mundial de colorantes fue alrededor de 0.7 millones de toneladas (Martínez y col.,
2009)
En México en 1997 la producción fue de 129,916 toneladas, correspondiendo 9,490
a los colorantes; 18,133 los pigmentos y 102,093 al dióxido de titanio y el total del
consumo fue de 76,286 toneladas durante 1997, de las cuales 20,406
correspondieron a colorantes; 18,552 a pigmentos y 37,328 a dióxido de titanio. Las
principales empresas con mayor producción de pigmentos y colorantes en el país
son Bayer de México, Clariant y Ciba Especialidades (IMTA, 2000).
De acuerdo con dichas estadísticas la utilización de tales cantidades de colorantes
genera un grave impacto ambiental si se tiene en cuenta que de los colorantes
utilizados en la industria, un 2% es descargado a los efluentes y el 10% de los
colorantes es perdido durante el proceso de coloración (Pearce y col., 2003).
Una de las clases más problemáticas de los colorantes son los colorantes básicos.
Estos son la clase más brillante de los colorantes solubles que se utilizan en la
industria (Inbaraj y Soluchana, 2006). Dichos colorantes tienen propiedades
catiónicas debido a las cargas positivas de sus átomos de nitrógeno y azufre. Esta
clase de colorantes se puede aplicar a lana, seda, algodón, piel y papel. De acuerdo
con Aniliker y col. (1998), los colorantes básicos se han clasificado como colorantes
tóxicos.
12
2.1 Clasificación de los colorantes
Existen en el mercado alrededor de 10000 colorantes y la clasificación más
apropiada es por su estructura química ya que permite identificar a los colorantes
pertenecientes a un grupo (ver tabla 1), la otra clasificación es en base a su método
de aplicación como la utilizada por Color Index.
Tabla 1. Sustratos principales, los métodos de aplicación y estructura química para cada clase de
colorantes
Clase
Sustrato
Método de
Estructura
Aplicación
Ácido
Nylon, lana, seda, Generalmente
papel, tintas y piel
baños
de Azo,
neutros
a antraquidona,
ácidos
trifenilmetano,
azina
santeño,
nitro y nitroso
Azoico
Algodón,
rayón, Fibra
impregnada Azo
acetato de celulosa con
y poliéster
componentes
acoplados y tratada
con
una
solución
estabilizada de sal
de diazonio
Básico
Papel,
Se
poliacrilonitrilo
ácidos
modificado,
utilizan
baños Azo,
nylon,
cianina,
hemicianina,
azina,
poliéster y tintas
díazahemicianina,
difenilmetano,
acridina, oxacina y
antraquidona
Directo
Algodón, rayón
Se utilizan baños
Azo, ftalocianina,
papel, piel y nylon
neutros o
estilbeno
13
ligeramente
y oxazina
alcalinos que
contienen
electrolitos
Disperso
Poliéster,
Aplicados a alta
poliamida,
temperatura
acetato, acrílico y
presión
Azo,
y antraquinona,
plásticos
estiril,
nitro
y
benzodifuranona
Fluorescentes
Alimentos
Mordiente
Jabones y
De la solución,
Estilbeno,
detergentes, todos
dispersión,
pirazoles,
las fibras, aceites,
o suspensión en una cumarina
pinturas y plásticos
masa
Alimentos,
naftalimida
Azo, antraquinona,
medicinas
carotenoides y
y cosméticos
triarilmetano
Lana, piel y
Se aplica en
Azo y
aluminio
conjunción con
antraquinona
anodizado
quelante de sales de
Cr
Natural
Alimentos
y
Se aplica como
Antraquinona,
colorante
flavonoides,
mordiente, de tina,
flavonas,
solvente, directo o indigoide
ácido
Bases de
Cabello, piel y
Aminas aromáticas y Anilina y
oxidación
algodón
fenoles oxidados en
estructuras
el
Indeterminadas
sustrato
14
Pigmentos
Pinturas, tintas,
Impresión en el fibra
Díazoico, básico,
plásticos y textiles
con trozos de resina
indigoide,
o
ftalocianina y
dispersión en la
quinacridona
masa
Reactivo
Algodón, lana, seda Sitio reactivo
Azoicos,
y
reacciona con el
antraquinona,
nylon
grupo funcional de
ftalocianina,
la fibra para
formazano,
enlazarlos
oxazine y básico
covalentemente bajo
la influencia de calor
y pH(alcalino)
Solvente
Sulfuro
Plásticos, gasolina,
Disolución en el
Azoicos,
barniz, laca, tintas,
sustrato
trifenilmetano,
grasas, aceites y
antraquinona y
ceras
ftalocianina
Sulfuro
Sustrato aromático
Estructuras
con sulfuro de sodio
indeterminadas
y se re-oxidan en la
fibra a
productos que
contienen
azufre
Colorantes
Solubilizar
Antraquinona
de tina
colorantes
(incluyendo
Algodón, rayón y
insolubles en agua
quinonas
lana
reduciéndolos con
policíclicas) e
hidrosulfito de sodio
indigoides
Fuente: Hunger, 2003
15
2.2 Métodos de tratamiento de efluentes con contenido de colorantes
Los colorantes son compuestos xenobióticos, los cuales no se encuentran de forma
natural en el ambiente aunado a esto presentan gran persistencia en el ambiente y
los métodos de eliminación comunes no son útiles debido a que oxidaciones o
reducciones parciales pueden generar productos secundarios más tóxicos que el
colorante en sí (Mansilla y col., 2001).
En respuesta a la problemática ambiental que los colorantes representan, se han
desarrollado diversos tratamientos, la mayoría de los autores dividen en tres
principales categorías: métodos biológicos, químicos y físicos (ver tabla 2).Para el
tratamiento de aguas residuales con colorantes, se han utilizado varias
metodologías tales como adsorción, neutralización, coagulación, degradación
química y degradación fotocatalítica, electrólisis, oxidación foto catalítica,
ozonación,
filtración
por
membranas
e
intercambio
iónico,
biosorción,
biodegradación bacteriana y fúngica en tratamientos aerobios y anaerobios entre
otros (Gutiérrez y Rodríguez, 2007).
2.2.1 Métodos Biológicos
Existe una gran variedad de tratamientos biológicos, los cuales son métodos más
económicos en comparación con los procesos químicos y físicos. Los métodos de
biodegradación como la degradación microbiana, adsorción por microorganismos,
decoloración con hongos y sistemas de bioremediación son aplicados para el
tratamiento de efluentes industriales porque muchos microorganismos como las
bacterias, levaduras, algas y hongos son capaces de acumular y degradar
diferentes contaminantes (McMullan y col., 2001).Sin embargo, la aplicación de
estos métodos no es tan factible debido a sus limitaciones técnicas los tratamientos
biológicos no son convenientes, ya que requieren de una gran cantidad de espacio
y tienen menor flexibilidad en el diseño y operación. Además, los tratamientos
biológicos convencionales no son capaces de eliminar el color por completo
16
(Robinson y col., 2001). Aunque muchas moléculas son degradadas muchas otras
son recalcitrantes debido a su compleja estructura química y a su origen orgánico
sintético (Majeti & Ravi, 2000).
2.2.2 Métodos Químicos
Dentro de los métodos químicos más frecuentes se encuentran la coagulación,
floculación, electroflotación, coagulación electrocinética, métodos convencionales
de oxidación, métodos avanzados de oxidación, procesos electroquímicos, etc.
Todas estas técnicas a menudo son costosas, y aunque los colorantes son
removidos, existe la posibilidad de que un problema de contaminación secundario
pueda surgir debido al uso excesivo de productos químicos.
Recientemente, han emergido nuevas técnicas como los procesos avanzados de
oxidación, los cuales se basan en la generación de un poderoso oxidante como el
radical hidroxilo, esta técnica se ha aplicado con éxito para la degradación de
contaminantes. Aunque este método es eficiente para el tratamiento de aguas
contaminadas con colorantes, son técnicas muy costosas y por lo tanto poco
atractivas. El alto consumo de energía eléctrica y el consumo de reactivos químicos
son los problemas más comunes para el empleo de esta técnica (Robinson y col.,
2001).
2.2.3 Métodos Físicos
Existen diferentes métodos físicos que se emplean para la remoción de
contaminantes como los procesos de filtración de membrana (nano-filtración,
ósmosis inversa, entre otros) y las técnicas de adsorción. Los principales
inconvenientes de los procesos de membrana son la vida limitada debido a la
contaminación de las membranas y los altos costos de reemplazo de membranas
que se necesitan incluir en el análisis de viabilidad económica (Robinson y col.,
2001). De acuerdo con la literatura (Garg y col., 2004); (Dogan y Alkan, 2003), los
procesos de adsorción son uno de los mejores métodos para la remoción de
contaminantes en las aguas residuales, debido a su adecuado diseño los procesos
17
de adsorción producen una alta calidad de agua después del tratamiento. Este
proceso ofrece una alternativa para el tratamiento de aguas contaminadas,
especialmente si el material adsorbente es barato y no necesita un tratamiento
especial después de su aplicación.
La adsorción es un proceso de separación bien conocido y es un método eficaz para
la descontaminación del agua (Dabrowski, 2001). Aunque el carbón activado como
adsorbente universal es eficiente, sus costos de operación son elevados.
Actualmente, muchos estudios se han enfocado en adsorbentes alternativos, dentro
de los cuales se encuentran las arcillas, tales como la bentonita (Tahir y Rauf, 2006)
y residuos agroindustriales entre los que se encuentran chitosan (Prado y col.,
2004), ceniza de soya libre de aceite, madera, mazorca de maíz, ceniza de
cascarilla de arroz entre otros que se utilizan como adsorbentes que efectivamente
pueden tratar aguas residuales, de manera económica por sus bajos costos de
producción.
Tabla 2. Tratamientos para la remoción de colorantes
Métodos
Ventajas
Desventajas
Tratamientos químicos
Proceso oxidativo
La simplicidad de aplicación
H2O2 el agente se tiene
que activar de alguna
manera
Reacción de Fenton
Decoloración efectiva de
Generación de lodo.
tintes solubles e insolubles
El ozono puede ser aplicado
Ozonización
en su estado gaseoso y no Corta vida media (20 min)
aumentar el volumen de aguas
residuales y lodos
No se producen lodos y se
Fotoquímico
reducen malos olores en gran
medida
18
La formación de
diferentes sub-productos.
Cloración con
Inicia y acelera la ruptura
La
hipoclorito
del enlace azo.
aminas aromáticas
de
liberación
de
sodio (NaOCl)
No hay consumo de productos
Destrucción
químicos,
electroquímica
descompone
en
Velocidades
de
flujo
relativamente altas causan
una disminución directa en
compuestos no peligrosos
la eliminación de colorante
Tratamientos biológicos
Decoloración por
hongos
Los hongos de putrefacción Producción
de blanca
putrefacción blanca
son
capaces
de
enzimas
de también se ha demostrado
degradar colorantes utilizando ser poco fiables
enzimas
Otros
cultivos
Bajo condiciones aerobias
Decolora en 24-30 h
microbianas
(bacterianas mixtas)
Ciertos colorantes tienen una
microbiana muerta
afinidad particular por la unión
de las especies microbianas
textiles
sistemas
tintes azoicos no se
metabolizan fácilmente
Biomasa
Anaeróbico
lo s
No es efectivo para todos
los tintes
de Permite tratar colorantes azo y Presencia
tinte otros tintes solubles en agua
de
de
metano
sulfuro de hidrógeno en el
efluente
bioremediación
Tratamientos físicos
Membrana
Elimina todo tipo de colorante
de filtración
La
producción
lodo concentrado
19
y
de
El
intercambio
de iones
Regeneración: sin pérdida
No es efectivo para todos
de adsorbente
los tintes
La
Económicamente viable
coagulación
Fuente Salleh, (2011)
Alta producción de lodos
2.3 Adsorción
La adsorción es el método para la separación de mezclas a escala de laboratorio e
industrial que es un fenómeno de superficie que se puede definir como el aumento
de la concentración de un componente particular en la interfase entre dos fases. La
adsorción de colorantes depende de las propiedades del colorante y la química de
la superficie del adsorbente (Secula, 2011).
Basándose en el grado de atracción entre el adsorbente y el adsorbato, el proceso
de adsorción se puede clasificar en dos tipos:
•
Adsorción física o fisisorción
•
Adsorción química o quimisorción
La adsorción física suele ser resultado de fuerzas de Van der Waals, con lo que por
naturaleza, al ser la unión bastante débil, la adsorción física puede ser reversible,
ya que la unión puede romperse por cambios en parámetros como la temperatura,
presión o concentración. La adsorción física puede ser de dos tipos: adsorción mono
capa y adsorción multicapa. Este tipo de adsorción está representada en la cinética
de pseudo primer orden (Mora, 2010).
Por otro lado, la adsorción química es el resultado de la interacción química entre
una molécula de adsorbato y la superficie del adsorbente (Satterfield, 1991), esto
hace que este tipo de adsorción sea irreversible. Este último tipo de adsorción es
de gran interés en catálisis, pero raramente se usa para separaciones (Satterfield,
20
1991) y está representada por la cinética de adsorción de pseudo segundo orden.
(Mora, 2010).
Los procesos de adsorción en fase gas han sido ampliamente estudiados y descritos
en la literatura. Sin embargo, el grado de conocimiento sobre la adsorción líquidosólido es mucho menor. En este tipo de adsorción no sólo se producen interacciones
adsorbato-adsorbente, sino que también se dan interacciones adsorbato -adsorbato
y adsorbente-disolvente. Este conjunto de interacciones determinará la afinidad de
un determinado compuesto por un adsorbente en un determinado disolvente: la
adsorción se ve favorecida cuando disminuye la afinidad del adsorbato por el
disolvente y aumenta la afinidad por el adsorbente (Mestanza & Mateos, 2012).
La mayoría de los adsorbentes industriales poseen una estructura muy compleja
que consiste en diferentes formas y tamaños de poro. De acuerdo con la IUPAC
(Sing y col., 1985) la porosidad se clasifica en tres grupos: la microporos que
constan de un diámetro menor a 2 mm; los mesoporos constan de un diámetro entre
2 y 50 mm; y los macroporos con un diámetro mayor a 50 mm (Sing y col., 1985).
Existen varios tipos de adsorbentes que tienen orígenes químicos, biológicos o
naturales los cuales han mostrado ser efectivos para remover los contaminantes de
las aguas residuales. Los procesos de adsorción tienen muchas ventajas como:
•
Bajo costo del adsorbente.
•
Fácil disponibilidad del adsorbente.
•
Bajos costos de operación.
•
Facilidad de operación en comparación con otros procesos.
•
Re-uso del adsorbente después de ser regenerado.
•
Habilidad para remover contaminantes complejos que generalmente nos son
posibles con otros métodos.
•
No ocasiona daño al ambiente.
Debido a su fácil operación, el proceso de adsorción se ha usado ampliamente para
el tratamiento de aguas residuales (Garg y col., 2004).
21
En general, la eficiencia de adsorción varía con la agitación, concentración de
colorante, temperatura, interacción colorante-adsorbente, área superficial del
adsorbente, pH, tiempo de contacto y tamaño de partícula. Se ha comprobado que
el proceso de adsorción está controlado por la transferencia de materia en el interior
de los poros del adsorbente (Beltrán y González, 1991).Particularmente, el proceso
de decoloración es el resultado de dos mecanismos: adsorción e intercambio iónico
(Wallace, 2001).
Los procesos de adsorción proveen una alternativa atractiva, especialmente si el
precursor del adsorbente es de bajo costo y se encuentra fácilmente disponible.
Estos procesos se están convirtiendo en una tecnología atractiva y prometedora por
su simplicidad, facilidad de operación y manipulación, operación libre de lodos,
capacidad de regeneración y eficiencia en la remoción de contaminantes muy
estables por métodos convencionales, además se obtiene una alta calidad del
producto y es un proceso económicamente factible (Lakshmi y col., 2008).
2.4 Biosorción
La biosorción como proceso fisicoquímico consiste en la retención de un sólido
adsorbente de origen biológico, llamado biosorbente, de especies químicas
contaminadas llamadas adsorbato, contenidos inicialmente en una fase líquida
acuosa.
Todo proceso de adsorción es evaluado en la condición de equilibrio, la cinética y
sus características termodinámicas. En cada caso se evalúan ciertos parámetros
que proveen información útil para el control del sistema adsorbente-adsorbato. En
el equilibrio, estos parámetros se obtienen en gran medida desde las isotermas, así
pueden conocerse las características de la interacción adsorbente-adsorbato en el
rango de concentraciones que se esté trabajando.
En la biosorción los datos se analizan con criterios generales de un proceso de
adsorción (Flores y col., 2001).
22
2.5 Cinética de adsorción
El estudio de la cinética de adsorción en las aguas residuales es importante para
entender mejor la ruta de reacción y el mecanismo de reacción. Además, permite
predecir el tiempo en el que el adsorbato será removido de la solución acuosa.
Cualquier proceso de adsorción es controlado por las siguientes etapas (Noll y col.,
1992).
Transporte externo: El transporte de masa por difusión de las moléculas de
adsorbato desde la fase fluida a la superficie del sólido (Fogler, 2008).
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 (Fogler, 2008).
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. (Fogler, 2008).
En el modelo 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.
2.5.1 Modelo de pseudo primer orden
Lagergren (1898) propuso esta ecuación de cinética de velocidad para la adsorción
en sistemas líquido-sólido, la cual se deriva a partir de la capacidad de adsorción
del sólido. Es una de las ecuaciones de velocidad más usadas para la adsorción de
un soluto en una solución acuosa.
Es así como los datos experimentales de un proceso de adsorción pueden ajustarse
al modelo cinético propuesto por Lagergren conocido como cinética de pseudo
primer orden y que, en su forma lineal, se representa por la siguiente ecuación:
23
𝑑𝑑𝑑𝑑𝑡𝑡
𝑑𝑑𝑑𝑑
= 𝑘𝑘1 (𝑞𝑞𝑒𝑒 − 𝑞𝑞𝑡𝑡 )
(2.6)
Donde 𝑞𝑞𝑒𝑒 es la cantidad de soluto adsorbido en el equilibrio por unidad de masa del
adsorbente (mg g-1 ), 𝑞𝑞 es la cantidad de soluto adsorbido a un tiempo, 𝑘𝑘1 es la
constante de velocidad de pseudo primer orden (h-1), y t es el tiempo de contacto
(h). Cuando q = 0 a t= 0 se integra :
log�𝑞𝑞𝑞𝑞 − 𝑞𝑞𝑡𝑡 � = log 𝑞𝑞𝑒𝑒 −
𝑘𝑘1 𝑡𝑡
2.303
(2.7)
La constante de velocidad 𝑘𝑘1 puede ser calculada como la pendiente partir de la
gráfica log�𝑞𝑞𝑞𝑞 − 𝑞𝑞𝑡𝑡 � contra t, para diferentes parámetros de adsorción como el pH,
temperatura, concentración del adsorbato, dosis del adsorbato, dosis del
adsorbente, tamaño de partícula y velocidad de agitación o se puede realizar una
regresión no lineal siendo la función objetivo la minimización del error cuadrado con
la siguiente ecuación:
𝑞𝑞𝑡𝑡 = 𝑞𝑞𝑒𝑒 (1 − 𝑒𝑒 −𝑘𝑘1 𝑡𝑡 )
(2.8)
2.5.2 Modelo cinético de pseudo segundo orden
Ho & McKay (1999) utilizaron un modelo basado en una ecuación de pseudosegundo orden para describir la cinética de remoción de metales pesados en un
adsorbente en particular. Para derivar la ecuación de este modelo se tomaron en
cuenta las siguientes reacciones :
2P- + M2+  MP2
2HP + M2  MP2 +2H+
(2.9)
Donde M es un ion metálico, P y HP son sitios polares en el adsorbente; de donde
se obtiene el modelo matemático (representado por la ecuación de pseudo segundo
24
orden) y se asume que la capacidad de adsorción es proporcional al número de
sitios activos ocupados en el adsorbente; es decir, este modelo se basa en la
capacidad de adsorción al equilibrio. Este modelo está representado por:
𝑑𝑑𝑞𝑞𝑞𝑞
𝑑𝑑𝑑𝑑
= 𝑘𝑘3 (𝑞𝑞𝑒𝑒 − 𝑞𝑞𝑡𝑡 )2
(2.10)
Donde k3 es la constante de pseudo-segundo orden en g/mg min, 𝑞𝑞𝑒𝑒 es la capacidad
de adsorción en equilibrio en mg/g integrando (2.11) e indicando que qt=0 cuando
t=0 se obtiene la siguiente ecuación:
𝑡𝑡𝑘𝑘3 𝑞𝑞 2
𝑞𝑞𝑡𝑡= �1+𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑒𝑒𝑞𝑞 �
(2.11)
3 𝑒𝑒
𝑞𝑞𝑒𝑒 Se obtiene al realizar una regresión no lineal donde las variables a optimizar con
ks y 𝑞𝑞𝑒𝑒 , además se puede reorganizar la ecuación para realizar una regresión lineal,
para esto se obtiene:
𝑡𝑡
𝑞𝑞𝑡𝑡
= 𝑘𝑘
1
3 𝑞𝑞𝑒𝑒
𝑡𝑡
+ 𝑞𝑞
𝑒𝑒
(2.12)
La velocidad de adsorción inicial h (mg g-1h-1) a t = 0 se define como:
ℎ = 𝑘𝑘3 𝑞𝑞𝑒𝑒 2
(2.13)
La gráfica t/q contra t a diferentes parámetros de adsorción dará una relación lineal
la cual permitirá el cálculo de 𝑞𝑞𝑒𝑒 , k y h.
2.6 Carbón activado
El carbón activado es un material carbonoso, microcristalino y no grafítico,
preparado por carbonización de materiales orgánicos, especialmente de origen
25
vegetal, que se ha sometido a un proceso de activación con gases oxidantes o bien
un tratamiento químico, con el objeto de aumentar su porosidad y desarrollar su
superficie interna, lo que confiere a los carbones activados su capacidad
adsorbente.
Un carbón activado está constituido por microcristales elementales, y lo componen
estructuras bidimensionales de planos hexagonales de átomos de carbono (ver
figura 1), pero que carecen de orden cristalográfico en la dirección perpendicular a
las láminas, es decir, los planos se encuentran desplazados unos respecto a otros
y solapando entre sí, por lo que presentan un elevado porcentaje de la estructura
altamente desordenada.
Figura 1. Estructura de un carbón activado
Esta estructura del carbón activado, constituida por un conjunto irregular de capas
de carbono con espacios producidos por los huecos creados por el plegamiento de
las capas, es lo que constituye la porosidad.
2.6.1 Propiedades físicas y químicas de los carbones activados
Los carbones activados son materiales macroscópicamente desordenados aunque
poseen dominios microcristalinos con un cierto grado de ordenamiento. El proceso
de activación al que se someten los carbones activados implica la desaparición de
carbono de los espacios situados entre las formaciones cristalográficas compuestos
de carbono no organizado, haciendo que se formen una gran cantidad de pequeños
espacios entre las partículas que se denominan poros, lo que produce que estos
26
materiales posean una gran superficie interna en comparación con la superficie
externa o geométrica. Esta estructura porosa interna, tan desarrollada y accesible
a los procesos de adsorción, confiere a los carbones activados su principal
característica, su gran capacidad adsorbente (Reinoso, 2002).
Los carbones activados son adsorbentes muy versátiles debido a que el gran
tamaño y distribución de los poros pueden ser controlados mediante la elección del
precursor (Lilli y col., 2002), el método de activación y el control de las condiciones
de preparación (Chiang, 2002), consiguiendo satisfacer necesidades concretas.
De acuerdo a la clasificación IUPAC, los poros se clasifican en función de su tamaño
en tres grupos principales (ver figura 2):
•
Macroporos: Diámetro de poro mayor a 50 mm
•
Mesoporos: Diámetro de poro entre 2 y 50 mm
•
Microporos: Diámetro de poro menor de 2 mm
Figura 2. Granulo de carbón activado
Fuente: Metcalf y Eddy (1991)
Aunque los principales responsables de la adsorción en un carbón activado son los
microporos (Lilli y col., 2002), ya que son los que contribuyen en mayor medida a la
superficie especifica del carbón, los mesoporos y macroporos son igualmente
importantes, ya que facilitan el acceso de los adsorbatos a los microporos.
27
2.6.2 Métodos de activación del carbón
La activación del carbón es la generación de partículas cristalinas porosas con una
enorme superficie de contacto en el interior de los gránulos o polvos de carbón, que
le otorgan a éste un alto poder de adsorción( ver figura 3)
El carbón activado puede fabricarse a partir de todo tipo de material carbonoso o
bien a partir de carbón mineral no grafítico; sin embargo, cada materia prima
brindará características y calidades distintas del producto.
En cuanto al proceso de activación, existen dos tipos: activación física (también
llamada térmica) y activación química (llamada deshidratación química)
Activación Térmica: Cuando se parte de un materia orgánico ( madera, bagazo de
caña, fibra de coco, etc.), el proceso se inicia con su carbonización, la cual debe
realizarse a temperatura baja en la que no se favorece la grafitación. Si se parte de
carbón mineral, normalmente no se requiere la carbonización
a menos que
contenga un gran número de volátiles.
El carbón resultante se somete a temperaturas cercanas a 1000°C
en una
atmosfera inerte o reductora, casi siempre saturada con vapor de agua. En estas
condiciones, y a lo largo de un cierto tiempo, algunos átomos de carbón
reaccionarán y se gasificarán en forma de CO2, y otros se recombinarán y
condensarán en forma de las placas grafíticas.
El grado de activación y el rendimiento dependen de las condiciones de operación
del horno de activación que son:
•
Temperatura
•
La composición de la atmósfera
•
Tiempo de residencia
•
Flujo volumétrico de vapor
El rendimiento suele estar entre el 0,25 a 0.50 kg de carbón activado por kilo de
carbón.
28
A mayor grado de activación generalmente corresponde un menor grado de
rendimiento. Existe sin embargo, un punto máximo de activación posible, más allá
del cual solo aumentan las pérdidas del carbón. Por grado de activación se entiende
el área superficial generada en el carbón activado.
Existen diferentes tipos de hornos de activación, entre ellos:
•
El rotatorio de calentamiento directo
•
El de lecho fluidizado
•
El vertical de hogares múltiples
Activación Química: Este método solo puede aplicarse a ciertos materiales
orgánicos relativamente blandos y que están formados por moléculas de celulosa,
como lo es la madera.
La primera etapa consiste en deshidratar la materia prima mediante la acción de un
agente reactivo como lo es el ácido fosfórico (H3PO4), el cloruro de zinc (ZnCl2) o
hidróxido de potasio (KOH). Posteriormente, se carboniza el material deshidratado
a baja temperatura, obteniéndose automáticamente la estructura porosa.
El producto restante se lava, con el objeto de dejarlo libre del agente químico
utilizado, así como para recuperar en gran medida este último.
El grado de activación puede variarse de acuerdo a la concentración del químico
deshidratante utilizado.
Figura 3 Esquema del carbón (a) Antes de la activación, y (b) Después de la activación.
Fuente : Metcalf y Eddy (1991)
29
Mediante esta tecnología no se obtiene las mismas placas grafíticas que resultan
del método de activación térmica. Las paredes del carbón más bien se asemejan a
una molécula orgánica, parte aromática y parte alifática, o a un polímero muy
ramificado y entre ligado. Además estas paredes no son planas, sino rugosas, y
contienen grandes cantidades de átomos distintos al carbono, principalmente
oxígeno.
Los parámetros que controlan el procesos de activación química son la relación de
impregnación (relación en peso entre el agente activante y el precursor), la
temperatura de activación, el tiempo de activación y la atmósfera de activación
(Grosso y Cruzado, 1997).
El grado óptimo de activación es función de cada agente activante y permite
desarrollar carbones activados con una alta microporosidad sin una gran
contribución a la mesoporosidad. El H3PO4, como agente activante de materiales
lignocelulósicos, aumenta el volumen de microporos, pero también permite el
desarrollo de los demás tamaños de poro de una forma proporcional, lo que produce
carbones activados con diferentes volúmenes de microporo pero con una misma
contribución de la microporosidad (Molina y col., 2004).
El uso de H3PO4 como agente activante permite obtener carbones activados con
altas capacidades de retención para compuestos orgánicos volátiles, superiores a
los que se consiguen empleando otros agentes activantes (Kim y col., 2006).
Las metodologías estudiadas para la preparación de carbones activados mediante
activación química de materiales lignocelulósicos con ácido fosfórico muestran una
clara relación entre las condiciones de preparación y las propiedades superficiales
de los carbones. Los mayores valores de superficie específica y la mayor
contribución del volumen de microporos se obtienen para valores de temperatura
bajos, entre los 300 y 500°C (Corcho y col., 2006) ; (Gómez y col., 2005). El mayor
desarrollo de la porosidad cuando se emplea H3PO4 a bajas temperaturas se explica
ya que este agente activante interviene en las fases iniciales de la carbonización,
mientras que otros precursores lo hacen cuando el precursor está prácticamente
carbonizado (Carrot y col., 2006).
30
Respecto a la atmósfera de activación se han encontrado pocos estudios en los que
se utilicen atmósferas que no sean inertes, generalmente en presencia de N2.
Kalderis y col. (2008) realizan la etapa de activación en presencia de CO2 que
produce una eficiencia menor en el caso de activación de H3PO4, lo que está de
acuerdo con Moreno y col. (2004) quienes emplearon aire como atmósfera de
activación en la preparación de carbones a partir de madera mediante H3PO4.
En cuanto a la utilización de materiales lignocelulósicos como precursores, el primer
agente activante fue el ZnCl2, que todavía se usa en la actualidad (Nakagawa y
col., 2007);(Hannafi, 2008), y que permite la obtención de carbones activados con
buenas propiedades. Su uso se mantuvo muchos años, pero actualmente debido a
los problemas ambientales que presenta se ha visto desplazado por el H3PO4
(Budinova y col., 2006);(Gómez y col., 2008). En menor proporción también se
utilizan agentes activantes como NAOH (Nabais y col., 2008) y HNO3 (Silvestre y
col., 2009). Las temperaturas de activación empleadas varían en función del agente
activado, y suelen ir desde 200°c a 900°. En el caso del H3PO4 se emplean
temperaturas de activación más bajas que para los demás activantes (Praucher y
col., 2008). En la mayoría de los casos la activación química de los carbones se
realiza bajo atmósfera inerte, haciendo pasar una corriente de nitrógeno a través de
la mezcla, pero puede utilizarse una atmosfera oxidante (Kalderis y col., 2009). En
este tipo de activación es necesaria una etapa posterior de lavado del carbón
activado para eliminar los restos de agente activante, esta etapa se puede realizar
con agua destilada o mediante un soxhlet (Guo y Rockstraw , 2006).
La activación química es el tipo de activación más utilizado cuando el precursor es
un material lignocelulósico debido a las altas áreas superficiales que se obtienen
generalmente (Petrou y col., 2008). Sin embargo, la activación física de materiales
lignocelulósicos se sigue empleando a escala industrial para la preparación de
carbones activados debido a que, al no requerir de agentes activantes químicos
para la activación, está resulta más económica y menos contaminante.
31
2.6.3 Principales precursores utilizados para elaboración de carbón activado
Actualmente el carbón activado puede ser producido a partir de cualquier material
rico en carbono, pero sus propiedades estarán muy influenciadas por la naturaleza
de la materia prima con que es producido y por la calidad de proceso de activación
Entre las principales fuentes se encuentran:
•
Carbones minerales
•
Cáscara de coco
•
Maderas
La selección de la materia que se utilice para la obtención del producto final
dependerá de un grupo de factores que deben ser considerados:
•
Disponibilidad y costo de la materia prima
•
Tecnología disponible
•
Demanda en el mercado de determinado tipo de carbón activado
Además de las materiales antes mencionados, también han sido utilizados otros
como:
•
Bagazo de caña
•
Semillas (arroz, frijol, etc.)
•
Desechos de maíz
•
Residuos de petróleo
•
Algas marinas
•
Huesos de frutos
•
Lodos residuales (Smisek y Cemy, 1970)
2.6.4 Tipos de carbón activado
Los carbones activados pueden clasificarse atendiendo al tamaño de las partículas
en:
32
•
Carbón activado en polvo (CAP) Los CAP presentan tamaños menores de
100mm siendo los tamaños típicos entre 15 y 25mm.
•
carbón activado granular (CAG). Los CAG presentan un tamaño medio de
partícula entre 1 y 5 nm
Los CAG pueden dividirse en dos categorías:
•
Carbón activado troceado o sin forma
•
Carbón activado conformado (o con forma específica, cilindros. discos, etc.)
Los carbones activados troceados se obtienen por molienda, tamizado y
clasificación por tamaño. Los carbones conformados pueden obtenerse por
peletización o por extrusión de carbón en polvo mezclado con distintos tipos de
aglomerantes (Niño y Ortíz, 2008)
2.7 Producción de papa
Actualmente en México se siembran alrededor de 67 mil hectáreas de las que se
obtiene una producción aproximada de 1 millón 350 mil toneladas, mismas que
permiten satisfacer las demandas del consumo interno. De esta superficie una
primera región está formada por los valles que cuentan con riego o poseen un
temporal estable, y donde se realiza una agricultura altamente tecnificada la cual
abarca alrededor de 17 mil hectáreas del total sembrado con papa en el país.
Una segunda región la constituyen las sierras o valles altos que se cultivan bajo
condiciones de temporal y donde se practica una agricultura de subsistencia que
abarca 50 mil hectáreas del total de la superficie sembrada con este cultivo.
33
otros
12%
Veracruz
Veracruz
4%
Sinaloa
17%
Coahuila
5%
Michoacan
8%
Sinaloa
Mexico
Nuevo Leon
Mexico
Guanajuato
10%
8%
Jalisco
Nuevo Leon
4%
9%
Puebla
7% Chihuahua Sonora
8%
8%
Sonora
Chihuahua
Puebla
Jalisco
Guanajuato
Michoacan
Coahuila
otros
Figura 4. Producción nacional de papa
Fuente: www.conpapa.org,mx/Planrector.html
La papa se produce tanto en el ciclo otoño-invierno como en el primavera-verano,
aunque el más importante es este último ya que durante el mismo se obtienen
alrededor del 60 por ciento de la producción. Se cultiva tanto en condiciones de
temporal como de riego destinándose para la primer modalidad aproximadamente
el 50 por ciento del total y el restante para riego.
En nuestro país, la papa ocupa el cuarto lugar en importancia, superado únicamente
por los básicos (maíz, frijol, arroz y trigo), entre las hortalizas solo los cultivos de
jitomate y chile verde ocupan una mayor superficie, en cuanto a la producción solo
es superado por el jitomate.
En los últimos años, los principales estados productores han sido: Sinaloa, Estado
de México, Nuevo León, Chihuahua, Sonora y Guanajuato, quienes en conjunto
aportaron el 60 por ciento del total de la producción nacional como se muestra en la
figura 4 (CONPAPA,2005).
34
2.7.2 Producción en Veracruz
Se puede observar que en el estado de Veracruz existen tres regiones de
importancia relativa para la producción de papa que son Orizaba, Naolinco y Perote,
que abarcan los municipios de Ayahualulco, Acajete, La Perla, Coscomatepec,
Coacoatzintla, Las Vigas, Mariano Escobedo y Perote (ver figura 5).
Estos municipios se encuentran desde los 2020 hasta los 2500 m.s.n.m., con
precipitaciones promedio de 1000 mm, con climas semisecos, fríos, templados,
húmedos y subhúmedos, suelos derivados principalmente de cenizas volcánicas,
otros con suelos de textura franca o franca arcillosa, susceptibles a la erosión.
Se encuentran en la región fisiográfica denominada eje neovolcánico, dentro de la
subprovincia 13 de nombre lagos y volcanes de Anáhuac, compuesta por llanuras
entre montañas con lomeríos y el gran estrato volcánico aislado llamado Cofre de
Perote. Eso en la parte norte y en la parte sur en las laderas de la Sierra Madre
Oriental acompañado del valle de Perote (Ruiz, 2002).
Figura 5.Regiones de producción de papa en el estado.
Fuente: www.conpapa.org,mx/Planrector.html
35
Dentro del estado de Veracruz actualmente son cultivadas distintas variedades de
papas (ver tabla 3).
Tabla 3. Variedades de papas sembradas
Variedad
Color
Mondiales
Blanca
Vivaldis
Amarilla
FL 1867
Blanco
Alpha
Blanco
Fianna
Blanco
Caesar
Amarilla
Dentro del estado de Veracruz el mayor productor de papa es el municipio de Perote a
pesar de que en los últimos años su volumen de producción de papa ha disminuido como
podemos observar en la tabla 4 donde se presentan los tolenajes anuales de cada
municipio.
Tabla 4. Toneladas de papa producidas en el estado
Municipios
2004
2005
2006
2007
2008
Perote
23,612
9,216
13,750
28,702
11,800
Jalacingo
14,732.75 16,11.50
14,662.50 23,365
11,750
La Perla
3,168
N.D
7,290
12,654
7,845
Altotonga
8,400
7,500
7,840
7,925
7,700
Mariano
7,592.30
7,750
6,200
6,440
6,650
Escobedo
TOTAL
82,523.37 57,464.25
36
68,678.75 103,912.00 65,306.00
2.7.2.1 Suelos
Predominan los andosoles húmicos, mólicos, y feozemháplico y también se
encuentran zonas cuya unidad principal es regosol calcáreo y luvisol crómico
(INEGI, 1990).
2.7.2.2 Hidrología
Debido a las condiciones climáticas, topográficas y latitudinales en las que
seencuentra la montaña, en ella se originan varias corrientes de agua,
principalmente en la parte Sur y Oriente (ladera húmeda) que en ocasiones se
convierten en grandes ríos y afluentes. Entre los principales ríos se encuentran el
rio Actopan, el cual se origina a una altitud de 3,000 msnm, cuya parte inicial de su
recorrido se le conoce como río Sedeño (Ruiz, 2002).
2.8 Normatividad
La protección a la salud y al ambiente sobre el uso, manejo destino de los colorantes
y sus intermediarios es de actual interés, esto es a causa del riesgo potencial de
varios de ellos y sus metabolitos, algunos de ellos considerados como cancerígenos
y mutagénicos.
2.7.1 Normatividad Mexicana
En México el marco legal referente al uso de colorantes en alimentos en el cual se
establecen los colorantes permitidos y las dosis recomendadas de estos para su
uso en alimentos es:
•
Ley General de Salud
•
NOM-038-SSA1-1993 Colorantes orgánicos sintéticos. Especificaciones
sanitarias generales.
37
•
NOM-036-SSA1-1993 Helados de crema, de leche o grasa vegetal, sorbetes
y bases o mezclas para helados. Especificaciones sanitarias
•
NOM-118-SSA1-1994 Materias primas para alimentos, productos de
perfumería y belleza. Colorantes y pigmentos Inorgánicos. Especificaciones
Sanitarias
•
NOM-142-SSA1-1995Especificaciones sanitarias. Etiquetado sanitario y
comercial.
•
NOM-147-SSA1-1996 Cereales y sus productos. harinas de cereales,
sémolas o semolinas. alimentos a base de cereales, de semillas comestibles,
harinas, sémolas o semolinas o sus mezclas. productos de panificación.
disposiciones y especificaciones sanitarias y nutrimentales.
•
NOM-185-SSA1-2002 Mantequilla, cremas, producto lácteo condensado
azucarado, productos lácteos fermentados y acidificados, dulces a base de
leche. Especificaciones sanitarias.
•
NOM-218-SSA1-2011 Bebidas no alcohólicas, sus congelados, productos
concentrados para prepararlas y bebidas adicionadas con cafeína.
Especificaciones y disposiciones sanitarias.
En nuestro país no existe una normatividad que regule la cantidad de color en los
efluentes. A pesar de eso existe una preocupación por eliminar el color de las aguas
pues su presencia crea efectos adversos a los ecosistemas acuáticos
principalmente.
La Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT), encargada
de regular estas situaciones, presenta en las NOM-001-SEMARNAT 1996 y la
NOM-002-SEMARNAT 1996; los límites máximos permisibles de contaminantes en
las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales y a los sistemas
de alcantarillado urbano o municipal respectivamente. Estas normas sustituyeron a
la NOM-CCA-014-ECOL/1993, que establecía los límites máximos permisibles de
contaminantes en las descargas de aguas residuales a cuerpos receptores. Estas
38
normas que regulan la descarga de efluentes no contemplan el color como un
parámetro a considerar, solo fija condiciones generales.
2.7.2 Normatividad Internacional
A nivel mundial la comisión del Codex Alimentaruius, una organización conjunta de
la FAO y la OMS, encargada de desarrollar normas internacionales sobre seguridad
alimentaria, reconoce 47 aditivos con clase funcional “colorantes” para uso
alimentario.
En cuanto a normatividad para descargas de colorantes a cuerpos de agua algunos
países han tomado cartas en el asunto por ejemplo con la formación en 1974 de la
Asociación Ecológica y Toxicológica de la industria de colorantes (ETAD, por sus
siglas en inglés), se estableció en cooperación con el gobierno suizo, la reducción
del daño ambiental y la protección a los consumidores por el impacto toxicológico
que causan sus productos.
En Gran Bretaña, se aplica la normatividad de la agencia Ambiental (EA, por sus
siglas en inglés), de Inglaterra, Gales y la de la Agencia de Protección Ambiental de
Escocia (SEPTA por sus siglas en inglés), la legislación de estos países para la
remoción de colorantes de las descargas de efluentes industriales es cada vez más
exigente. Desde 1997, la política ambiental en el Reino Unido exige que ningún
compuesto químico sintético deba ser descargado al ambiente marino.
La normativa de la Unión Europea, es cada vez más estricta para las descargas de
agua residual de la industria, por lo que este sector se encuentra en la búsqueda de
nuevos tratamientos que logren alcanzar dichos estándares; ejemplo de ello es la
normatividad alemana emitida desde el 20 de julio de 1995, donde se prohíbe el uso
de aquellos colorantes que puedan liberar alguna de las 20 aminas aromáticas
consideradas de alto riesgo por su efecto carcinogénico
39
Capítulo 3
3. Metodología
Para el desarrollo del proyecto se propuso la metodología que se muestra en la
figura 6.
Remoción del colorante
utilizado en el proceso
de tincion de la papa
rosa mediante
adsorcion
Estudio del colorante
utilizado en la tinción de
papa rosa
Analisis fisicoquimicos
fisicoquimico de la
muestra de agua
Determinación del
colorante presente en el
efluente
Determinación de la
concetracion del
colorante en el efluente
Evalucion de la adsorción
Evaluación de la cinética
de adsorcion
Preparación de los
materiales adsorbentes
Determinacion de la
constante de equilibrio
de cada adsorbente
Activación quimica del
carbón vegetal de
mezquite
Secado de la fibra de
coco
Pruebas de adsorción
Confirmación del activo
del colorante
Figura 6. Metodología a seguir.
40
Determinación del orden
de la cinética de
adsorción de cada
adsobente
3.1 Etapa 1 Estudio del colorante utilizado en la tinción de papa rosa
Se obtuvo agua del lavado y tinción de papas
3.1.1 Análisis Fisicoquímicos
Los análisis fisicoquímicos realizados son los que se señalan en la tabla 5, misma
que ilustra los métodos de análisis utilizados.
Tabla 5. Parámetros fisicoquímicos
Parámetro
Demanda
química
Método de Análisis
de
oxígeno
NMX-AA-030-SCFI-2001
(DQO)
pH
NMX-AA-008-SCFI-2000
Conductividad
NMX-AA-093-SCFI-2000
3.1.2 Determinación del colorante presente en el efluente
Para
determinar el colorante utilizado en la tinción de papas, se utilizó un
espectrofotómetro Hach DR 5000, en el cual se realizó un barrido completo de
longitudes de onda para identificar la longitud de onda de máxima absorción del
colorante presente en el efluente.
Después se realizaron cuatro soluciones de concentración conocida (1 g/L) de
cuatro colorantes comerciales.
•
Colorante alimenticio Rosa 170 marca Deiman
•
Colorante alimentico Rojo Fresa 170 marca Deiman
41
•
Colorante de uso industrial Rosa Brillante marca Faslem
•
Anilina Rosa mexicano marca El globo
De cada una de las soluciones se tomó una alícuota de 10 ml para realizar el
barrido de longitud de onda de máxima absorción en el espectrofotómetro Hach
DR5000.
Una vez realizados los barridos se obtuvieron los puntos máximos de absorción
de cada uno de los cuatro colorantes y se compararon con el punto máximo de
absorción del colorante en la muestra; determinando con ello el colorante que está
siendo usado en la tinción de papas.
3.1.3 Determinación de la concentración del colorante
Una vez que se obtuvo una primera aproximación al colorante que está siendo
utilizado en la tinción de papas y su respectiva longitud de onda, se utilizó un
espectrofotómetro
Hach DR 500 en el cual re realizó una curva de
concentraciones conocidas del colorante midiendo la longitud de onda de máxima
absorción a los 543 nm. Se realizaron 7 concentraciones
conocidas, siendo la
concentración inicial de 0.05 g/L, aumentando 0.025 g de colorante por solución
hasta
llegar
al
un
límite
superior
de
0.2
g/L.
Se calculó el coeficiente de regresión lineal de la curva obtenida y se comparó
con la dilución de la muestra del colorante para determinar la concentración.
3.1.4 Determinación del Activo del colorante
Para la determinación del activo del colorante utilizado en la tinción de papas se
realizó una extracción en metano parar el colorante del excipiente, para esto se
disolvieron 10 g de colorante en 250 ml de metanol en un matraz Erlenmeyer , con
el fin que la parte que solubilizara fuera únicamente el colorante
El resultado del filtrado se colocó en una parrilla eléctrica a 50°c para evaporar el
42
metanol y obtener el colorante puro.
Ya que se obtuvo el colorante puro en polvo se tomó 0.001 g de éste y se diluyó
en 100ml de metanol, de esta solución se tomaron 10ml para medir su longitud de
onda, se utilizó un espectrofotómetro Hach DR5000; después de esto se comparó
con datos de longitud de onda reportados en la literatura para el colorante que se
supondría habrá en el material comercial.
3.2 Etapa 2 Evaluación de la adsorción
3.2.1 Preparación de los adsorbentes
Los adsorbentes seleccionados fueron cáscara de coco y carbón vegetal, debido
a su fácil obtención y bajo costo.
3.2.1.1 Cáscara de coco
Para la utilización de fibra de coco como adsorbente fue necesario poner a secar
a 110°C por 24 horas las cáscaras de coco, posteriormente fueron trituradas
mediante un molino manual hasta obtener el tamaño deseado.
3.2.1.2 Carbón vegetal
El carbón vegetal fue molido manualmente hasta obtener el tamaño de partícula
deseado; posteriormente fue cribado en malla N°10 , para así obtener partículas
de 2 mm y desechar el polvo y partículas mayores.
Unas vez que se cribó el carbón, este fue impregnado con H3P04 al 80 %, teniendo
en cuenta utilizar una relación de impregnación del ácido / carbón 1:1, es decir
por cada gramo de carbón un 1 ml de ácido fosfórico.
El carbón en capsulas de porcelana
fue puesto en una mufla a 350°C de
temperatura durante un tiempo de residencia de dos horas.
43
Posteriormente el carbón fue lavado dos veces con agua destilada a 60°C para
eliminar cualquier residuo del precursor químico.
3.2.2 Pruebas de adsorción
Para realizar las pruebas de adsorción además del carbón vegetal activado de
mezquite y la fibra de coco los materiales adsorbentes preparados se utilizaron
dos carbones activados comerciales como controles, el carbón activado en polvo
marca Sigma y el carbón activado Fisher.
3.2.1.1 Carbón activado en polvo marca Sigma
Para realizar la prueba de adsorción del carbón activado marca Sigma se utilizó
un matraz Erlenmeyer, un agitador magnético y una parrilla de agitación. Se
comenzó pesando 0.5
activado en polvo en una canastilla de aluminio.
Posteriormente se preparó una solución con una concentración de 540 mg de
colorante en un volumen de 500 mL. El experimento comenzó cuando se añadió
el carbón activado en polvo y se inició la agitación
De la solución en agitación, se tomaron alícuotas de 10 ml cada 10 min durante
70 min, cada una fue filtrada en papel Whatman N°42 y colocada en una celda
de cuarzo para medir su concentración en el espectrofotómetro Hach DR500
mediante la curva de calibración. Los datos obtenidos se concentraron en una
tabla.
El porcentaje de remoción del colorante se calculó de la siguiente forma:
𝑄𝑄
Porcentaje de remoción = � 𝑄𝑄𝐹𝐹� 100
𝐼𝐼
(2.14)
3.2.1.2 Carbón Activado comercial Fisher
Para realizar la prueba de adsorción se utilizó un matraz Erlenmeyer, un agitador
magnético y una parrilla de agitación. Se pesando la cantidad seleccionada de
carbón activado en una canastilla de aluminio y se preparó una solución de 500
44
ml que contenía una concentración de 500 mg de colorante. El experimento
comenzó cuando se añadió el carbón activado a la solución de colorante y se
inició la agitación. Se tomaron alícuotas cada hora durante 7 horas, cada medición
fue filtrada en papel Whatman N°42 y colocada en una celda de cuarzo para medir
su concentración mediante el espectrofotómetro Hach DR5000. Los datos
obtenidos de concentración en el tiempo fueron concentrados en una tabla.
El porcentaje de remoción del colorante se calculó mediante la ecuación 2.14
3.2.1.3 Carbón vegetal activado con H3PO4
El experimento inició con el acondicionamiento del adsorbente descrito en la
sección 3.2.1.2 Una vez que se pesó en seco 10 g de carbón vegetal activado,
se colocó en una canastilla de aluminio. Posteriormente se preparó la solución
con la concentración
de 500 mg colorante y se introdujo el volumen
correspondiente (500 mL). El experimento comenzó cuando se añadió el carbón
al matraz que contenía la solución y se comenzó la agitación, a partir de ese
momento se tomaron mediciones cada hora durante 12 horas, cada muestra fue
filtrada en papel Whatman N°42 y colocada en una celda de cuarzo para medir su
concentración en el espectrofotómetro Hach DR5000.
Para la obtención del porcentaje de remoción del colorante se calculó de acuerdo
a la ecuación 2.14.
3.2.1.4 Fibra de coco
El proceso se inició con el acondicionamiento descrito en la sección 3.2.1.1 . Una
vez que se pesaron 10 g del adsorbente, se colocó en una canastilla de aluminio.
Después se preparó una solución con 540 mg de colorante en 500 ml. El
experimento comenzó cuando se añadió la fibra de coco y se comenzó la
agitación, en ese momento se iniciaron las mediciones cada hora durante 8 horas,
cada muestra fue pasada por papel filtro, y se midió su concentración en el
espectrofotómetro.
45
Para la obtención del porcentaje de remoción del colorante se calculó de acuerdo
a la ecuación 2.14.
3.3 Etapa 3 Evaluación de la cinética de adsorción
3.3.1 Determinación de la constante de equilibrio
Para determinar la constante de equilibrio se colocaron cinco matraces
Erlenmeyer para cada adsorbente, cada matraz contenía soluciones con
concentraciones de 100 mg/100ml, 140 mg/100ml, 180 mg/100ml, 220 mg/100 ml
y 260 mg/100ml respectivamente, a cada matraz se le agregó un 1 g de
adsorbente excepto a los correspondientes al carbón activado marca sigma, a los
cuales se les agrego 0.1 g. Se dejó actuar a los adsorbentes durante 24 horas y
se midieron las concentraciones de cada matraz, se reportó como constante de
equilibrio la concentración a la cual el adsorbente no absorbe más colorante. Los
valores obtenidos se concentraron en una tabla.
3.3.2 Determinación del orden de la cinética de adsorción de cada adsorbente
Para determinar el orden de la cinética de adsorción para cada uno de los
adsorbentes empleados, se utilizaron los datos obtenidos de las pruebas de
adsorción descritas en la sección 3.2.2 y los valores de las constantes de equilibrio
obtenidas para cada uno de los adsorbentes como se describió en la sección 3.3.1.
El modelo de pseudo segundo primer orden fue calculado para cada uno de los
adsorbentes a partir de la gráfica log (qe – qt) contra tiempo. Donde qe es la
contante en equilibrio del adsorbente y qt es la concentración de colorante en un
tiempo y t es el tiempo de contacto (sección 2.5.1).
En cuando el modelo de pseudo segundo orden es cálculo para cada uno de los
adsorbentes realizando una gráfica de t /qt contra t. Donde qt es la concentración
de colorante respecto al tiempo y t es el tiempo de contacto (sección 2.5.2)
46
Capítulo 4
4. Resultados y discusión
4.1 Parámetros fisicoquímicos
Los resultados para los parámetros fisicoquímicos realizados a la muestra de agua
tomada de la tina de tinción de papa se muestran en la tabla 6.
Tabla 6. Resultados de los parámetros fisicoquímicos
Parámetro
Resultados
Demanda química de oxígeno (DQO)
pH
Conductividad
389 mg/l
6.1
155µs/cm
4.1.2 Determinación del colorante presente en el efluente
Mediante la curva de absorción de la muestra del agua tomada de la tina de tinción de
papa se observó un punto máximo de absorción a 553 nm, este resultado fue comparado
1.2
1.16
1.12
1.08
1.04
1
0.96
0.92
0.88
0.84
0.8
0.76
0.72
0.68
0.64
0.6
0.56
0.52
0.48
0.44
0.4
0.36
0.32
0.28
0.24
0.2
0.16
0.12
0.08
0.04
0
Máxima Absocíon
553,
400
404
408
412
416
420
424
428
432
436
440
444
448
452
456
460
464
468
472
476
480
484
488
492
496
500
504
508
512
516
520
524
528
532
536
540
544
548
552
556
560
564
568
572
576
580
584
588
592
596
600
Absorbancia
con las curvas de absorción realizadas para cada uno de los colorantes.
Longitud de Onda
Muestra
Rosa Brillante
Anilina
Rojo fresa
rosa 170
Figura 7. Comparación de las curvas de absorción de los colorantes comerciales y la
muestra de agua de la tina de tinción de papa
47
Mediante la comparación de las curvas de absorción se pudieron descartar tres
de los cuatro colorantes, debido a que sus longitudes de onda de máxima
adsorción son diferentes a la de la muestra, como se puede observar en la figura
7, solamente el colorante rosa brillante coincide con los 543 nm que tiene la
muestra de agua de la tina de tinción de papa.
4.1.3 Determinación de la concentración del colorante
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 multiplico por 50 debido a la dilución que se realizó de la muestra ,
obteniendo una contracción de 6.625 g/L.
4.1.4 Determinación del Activo del colorante
Para la determinación del activo del colorante Rosa Brillante que 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.
48
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.
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
49
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 .
Absorbancia
máxima a 543 nm
0.56
0.48
Absorbancia
0.4
0.32
0.24
0.16
0.08
400
405
410
415
420
425
430
435
440
445
450
455
460
465
470
475
480
485
490
495
500
505
510
515
520
525
530
535
540
545
550
555
560
565
570
575
580
585
590
595
600
0
Longitud de Onda
Figura 10.Longutud de máxima absorción del colorante puro
La Rodamina B (ver figura 11) es un colorante antraquinona utilizado para teñir
diversos productos, tales como, algodón, seda, papel, bambú, maleza, paja y piel
(Lata y col., 2008). Además, se utiliza para tinciones biológicas (Inbaraj y
Sulochana, 2006). Las propiedades del colorante se resumen en la Tabla 7.
(a)
(b)
Figura 11. Estructura química del colorante Rodamina B. (a) Forma catiónica; (b)
Estructura en tres dimensiones.
50
Tabla 7 .Propiedades del colorante Rodamina B
Nombre Sugerido
RODAMINA B
Numero C.I
45170
0.78
1.47
Violeta Básico 10
Solubilidad en Agua
Solubilidad en
Etanol
Máxima Absorción
Nombre C.L
Clase
Rodamina
Formula empírica
C28H31N2O3
Ionización
Básica
Peso Molecular
479.028
Color
Verde
Numero CAS
81-88-9
56.5
Fuente: Color Index (2006)
4.2 Evaluación de la adsorción
4.2.1 Preparación de los absorbentes
Como se describió en el punto 3.3 de la metodología los materiales adsorbentes
necesitaron preparación previa a su uso.
4.2.1.1 Cáscara de coco
Se observó la pérdida de peso en la cáscara de coco debido al proceso de
deshidratación al que fue sometido por 24 h perdiendo de 1 kg kilogramo de
cáscara de coco 800 g de humedad y obteniendo 200 g de fibra.
4.2.1.2 Carbón vegetal
En cuanto al carbón vegetal fue notoria la pérdida de un 25% de carbón debido al
proceso térmico al que fue sometido, de los 50 g de carbón vegetal que fueron
impregnados con 50 ml de ácido fosfórico se obtuvieron 37.5 g de carbón activado.
51
4.2.2 Pruebas de adsorción de los diferentes adsorbentes
4.2.2.1 Carbón activado en polvo marca Sigma
Las concentración obtenidas de la toma de alícuotas cada 10 minutos se muestran
en la tabla 8.
Tabla 8. Concentración de colorante contra tiempo sobre carbón activado Sigma
Tiempo (min)
Concentración (mg/ L)
0
540
10
270
20
181
30
92
40
79
50
63
60
59
70
57
80
57
Se presentó una remoción del 89.44 % del colorante en un tiempo de contacto
de 80 minutos.
4.2.2.2 Carbón activado Fisher
Las concentración obtenidas de la toma de alícuotas se muestran en la tabla 9.
Tabla 9. Concentración de colorante contra tiempo sobre Carbón activado comercial Fisher
Tiempo(h)
Concentración(mg/L)
0
500
1
497
2
493
3
489
4
486
5
482
6
479
7
477
8
473
52
Se presentó una remoción de 4.6 % del colorante presente en la solución en un
tiempo de contacto de 8 horas.
4.2.2.3 Carbón vegetal activado con H3PO4
Los datos obtenidos de la toma de alícuotas cada hora se presentan tabla 10.
Tabla 10. Concentración de colorante contra tiempo sobre Carbón vegetal activado
Tiempo(h)
Concentración(mg/L)
0
500
1
465
2
400
3
343
4
268
5
208
6
165
7
113
8
85
9
51
10
20
11
10
Lo que representa una remoción del 98% del colorante en un tiempo de contacto
de 11 horas.
4.2.2.4 Fibra de coco
Los datos obtenidos de la toma de alícuotas se presentan en la tabla 12.
Tabla 11. Concentración del colorante respecto al tiempo sobre fibra de coco
Tiempo( h)
Concentración(mg/L)
0
540
1
470
2
410
3
378
4
347
5
307
6
265
53
7
8
9
238
204
186
Con una remoción del 65% del colorante en 9 horas de contacto.
4.3. Determinación de la cinética de adsorción
4.3.1Determinación de la constante de equilibrio
Las constantes de equilibrio obtenidas para cada adsorbente se muestran en la
tabla 12.
Tabla.12 Constantes de equilibrio de los diferentes adsorbentes evaluados
Adsorbente
Cinética
Concentración
en
equilibrio
Carbón Activado
Pseudo Segundo
Marca Sigma
Orden
Carbón Activado
Pseudo
Comercial Marca
Orden
2270mg/g
Primer
55.3 mg/g
Primer
88.7 mg/g
Primer
42.3 mg/g
Fisher
Carbón
vegetal
Pseudo
Activado
Orden
Fibra de Coco
Pseudo
Orden
En la figura 21 podemos ver una comparación de las constantes de equilibrio
obtenidas para cada uno de los adsorbentes probados
54
MILIGRAMOS ADSORBIDOS POR GRAMO DE
ADSORBENTE
2500
2270
2000
1500
1000
500
55.3
0
88.7
42.3
Carbón Activado Marca
Carbón Activado
Carbón vegetal Activado
Sigma
Comercial Marca Fisher
ADSORBENTE
Fibra de Coco
Figura 12. Comparación de la capacidad de adsorción del colorante rosa brillante en los
adsorbentes probados
Los estudios que se utilizaron para comprar resultados de remoción de colorantes
mediante carbón activado se muestran en la tabla 12.
Tabla 13.Estudios de remoción de colorantes mediante carbones activados
Estudio
Concentración
Colorante
de
Tratado
colorante
Autor
adsorbido
Carbón activado a
30.5 mg/g
Naranja
ácido 24
Mora, (2010)
100 mg/g
Rodamina B
Berruguete (2013)
partir de leña de
mezquite
Conversión de
residuos
lignocelulósicos
procedentes de la
cáscara de piñón
(Pinus pinea) en
carbón activado
55
Activated
carbon 263.85
from agricultural by
products for the
removal
of Rhodamine B
Rodamina B
Gad y El Sayed,(2009)
Carbon
activado
vegetal 88.7
Rodamina B
Este trabajo
Carbon
activado 2270
marca Sigma
Rodamina B
Este trabajo
Carbon
fisher
Rodamina B
Este trabajo
Miligramos removidos por gramo de
adsrobente
activado 55.3
2270
88.7
30.5
100
Carbón
vegetal
activado
Carbón
activado de
leña de
mezquite
Carbón
activado
cáscara de
piñón
263.85
Carbón
Carbón
activado de activado
bagazo
marca Sigma
55.3
Carbón
activado
Fisher
Figura 13. Comparación de remoción de colorantes por gramo de adsorbente
Como se puede observar en la figura 13, el carbón que presenta mayor remoción
de colorante es el carbón activado marca Sigma, esto debido a que es un carbón
activado con grado analítico y un tamaño de partícula de 0.18 mm, lo cual le da
una superficie de contacto mucho mayo a la presentada por los demás carbones.
El carbón vegetal activado probado en este trabajo, presento una remoción de
88.7 mg/g, por debajo de las presentadas por el carbón activado de bagazo de
56
caña de 263.85 mg/g y el carbón activado de cáscara de piñón de 100 mg/g, uno
de las principales diferencias que tienen los carbones activados es el tamaño de
partícula, el carbón vegetal activado tiene un tamaño de partícula de 2mm,
mientras que los carbones activados a base de cáscara de piñón y bagazo de
caña tienen tamaño de partícula de 0.25 mm, además debe tomarse en cuenta
las diferencias en la temperatura de activación, pues el carbón vegetal activado
utilizó 350°C mientras que para los otros dos carbones se utilizó una temperatura
de activación de 500°C.
En el caso del carbón activado de leña de mezquite que presento una adsorción
de 30.5 mg de colorante por gramo de carbón activo (Mora, 2010), una valor
menor a los reportados por Gad y El Sayed (2009) y Berruguete (2010), a pesar
de utilizar la misma temperatura de activación de 500°C y el mismo tamaño de
partícula, pero con la diferencia de utilizar cloruro de zinc como agente
deshidratante.
A partir de estos resultados podemos observar que el tamaño de partícula es una
variable determinante para aumentar la capacidad de adsorción, entre menor sea
el tamaño de partícula mayor será la superficie de contacto y por ende mejor será
la capacidad de remoción. Otro factor determínate en la capacidad de adsorción
es la temperatura de activación, como se pudo observar en las capacidades de
absorción reportadas de los diferentes carbones activados a mayor temperatura
de activación se mejora la eficiencia de remoción y por último es evidente la
importancia del agente deshidratante utilizado, pues a pesar de utilizar el mismo
tamaño de partícula de 0.25 mm y la misma temperatura de activación de 500°C,
el carbón activado que utilizo cloruro de zinc presentó una capacidad de remoción
mucho menor incluso que el carbón activado de 2 mm de partícula y activado a
350°C.
En cuanto al uso de fibra de coco como biosorbente no se encontró un trabajo
documentado sobre su uso para remoción de colorantes por lo cual se comparó
con otros subproductos agroindustriales
colorantes.
57
con aplicación en la biosorción de
Tabla 14.Biosorción de colorantes con residuos agroindustriales
Adsorbente
Colorante
Colorante
adsorbido
Fuente
por
gramo de carbón
Corteza de pino
Azul básico 69
168mg/g
Ho
y
McKay
(2003)
Cascarilla
de
Azul de metileno
90 mg/g
cafe
Alves y Rocha
(2008)
Fibra de Coco
Rodamina B
42.3 mg/g
180
Este trabajo
168
Miligramos de colorante adsrobido
160
140
120
100
90
80
60
42.3
40
20
0
Fibra de coco
Corteza de pino
Cascarilla de cafe
Título del eje
Fibra de coco
Corteza de pino
Cascarilla de cafe
Figura 14. Coeficientes de Adsorción de diferentes residuos agroindustriales
Los diferentes resultados de remoción (ver figura 14), pueden ser explicados
debido
a la diferencia de los adsorbentes, cada uno tiene características
diferentes químicas en su superficie lo cual influye en la afinidad del colorante
respecto al adsorbente, también es evidente que no puede existir una
comparación directa pues los tres adsorbentes se probaron para diferentes
colorantes. Otra variable muy importante es el tamaño de partícula utilizado, para
58
cada uno de los biosorbentes difieren, para la corteza de pino se utilizó un tamaño
de partícula de 0.1mm, para la cascarilla de café se utilizó un tamaño de partícula
de 1mm, mientras que para la fibra de coco el tamaño de partícula fue de 2 mm,
y si tenemos en cuenta que entre menor sea el tamaño de partícula mayor será la
superficie de contacto, podría justificarse la diferencia en la capacidad de
adsorción de cada uno de los materiales.
4.3.2 Determinación de la cinética de adsorción
4.3.2.1 Carbón activado en polvo marca Sigma
Los datos obtenidos en la sección 4.2.2.1 tabla 8 fueron linealizados de acuerdo
a la ecuación (2.7) y graficando logaritmo de la concentración en equilibrio menos
la concentración en el tiempo t, para obtener la cinética de pseudo primer orden
que se muestra en la figura 15. Se obtuvo una r2 de 0.06696.
3.64
3.62
3.6
LOG(QE-QT)
3.58
3.56
3.54
3.52
y = -0.0011x + 3.5835
R² = 0.6696
3.5
3.48
0
10
20
30
40
50
Tiempo (min)
60
70
80
90
Figura 15. Cinética de Pseudo Primer orden del Carbón activado Marca Sigma
Al mismo tiempo fueron linealizados de acuerdo a la ecuación (2.12) y se
graficaron tiempo sobre concentración en tiempo t contra el tiempo, para la
obtención de la cinética de pseudo segundo orden, que se muestra en la figura
16.
59
0.09
y = 0.001x + 0.005
R² = 0.9905
0.08
t/QT( min.g/mg
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tiempo (min)
Figura 16.Cinética de pseudo segundo orden para el carbón activado marca Sigma.
Los resultados muestran que la cinética de pseudo segundo ordenes la que se
ajusta mejor a los datos, obteniendo un R2 de 0.9905. Esto puede explicarse por
el mecanismo de adsorción, el cual implica a las fuerzas de valencia a través del
uso compartido o intercambio de electrones entre el colorante y el adsorbente (Li y
col., 2010).
4.3.2.2 Carbón activado Fisher
Los datos obtenidos en la sección 4.2.2.2 (tabla 9) se linealizaron de acuerdo a la
ecuación (2.7) y se graficó el logaritmo de la concentración en equilibrio menos
la concentración en el tiempo t, para obtener la cinética de pseudo primer orden.
Se obtuvo una r2= 0.9968 (ver figura 17).
60
1.55
1.545
Log (QE/qt)
1.54
1.535
1.53
1.525
1.52
1.515
y = -0.0043x + 1.5477
R² = 0.9968
1.51
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo (h)
Figura 17. Cinética de pseudo primer Orden para carbón activado comercial Fisher.
También fueron linealizados de acuerdo a la ecuación (2.12) al graficar tiempo
sobre concentración en tiempo t contra el tiempo, para la obtención de la cinética
de pseudo segundo orden para el carbón Fischer (ver figura 18).
4
3.5
y = 0.1839x + 1.8663
R² = 0.2577
t/qt (h.g/mg)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo (h)
Figura 18. Cinética de pseudo segundo orden para carbón activado comercial Fisher
De acuerdo a las gráficas el ajuste de los datos experimentales es mejor para la
cinética de pseudo primer orden, con un r2=0.9968.
61
4.3.2.3 Carbón vegetal activado con H3PO4
Se ajustaron los datos de la sección 4.2.2.3 (tabla 10) a la ecuación (2.7)
obteniendo la cinética de pseudo primer orden al graficar el logaritmo natural de
la concentración en equilibrio menos la concentración en tiempo t contra tiempo,
obteniendo una R² = 0.9926 (Ver figura 19).
2.5
log (qe/qt)
2
y = -0.0344x + 1.9556
R² = 0.9926
1.5
1
0.5
0
0
2
4
6
8
10
12
tiempo (h)
Figura 19. Cinética de pseudo primer orden para carbón vegetal activado con H3PO4
Además fueron linealizados de acuerdo a la ecuación (2.12) se graficó tiempo
sobre concentración en tiempo t contra el tiempo, para la obtención de la cinética
de pseudo segundo orden para el carbón vegetal activado con ácido fosfórico (ver
Tiempo/congetracion
(h.g/mg)
figura 20).
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
y = 0.0032x + 0.0745
R² = 0.1218
0
2
4
6
8
10
12
tiempo( h)
Figura 20. Cinética de pseudo Segundo 0rden para carbón vegetal activado con H3PO4
El ajuste de los datos es mejor para la ecuación de pseudo primer orden con un
r2= 0.9809.
62
4.3.2.4 Fibra de coco
Ajustando los datos obtenidos en la sección 4.2.2.3 (tabla 11) a la ecuación (2.7)
se obtuvo la cinética de pseudo primer orden al graficar el logaritmo natural de
la concentración en equilibrio menos la concentración en tiempo con una R² =
TítLOG(QE/QT)
0.9812, como se muestra en la figura 21.
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
y = -0.0854x + 1.6572
R² = 0.9812
0
2
4
6
8
10
Tiempo (h)
Figura 21. Cinética de adsorción de pseudo primer orden para la fibra de coco.
Los mismos datos fueron linealizados de acuerdo a la ecuación (2.12) graficando
tiempo sobre concentración en tiempo t contra el tiempo, para la obtención de la
T/qt (h.g/mg)
cinética de pseudo segundo orden para la fibra de coco (ver figura 22).
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
y = 0.0209x + 5.4294
R² = 0.7328
0
100
200
300
400
500
600
tiempo (h)
Figura 22. Cinética de adsorción de pseudo segundo para la fibra de coco.
Existe un mejor ajuste de los datos para la cinética de pseudo primer orden, en la
cual se obtiene una r2=0.9812.
63
El modelo cinético de pseudo segundo orden describe muy bien la adsorción del
colorante sobre el carbón activado en polvo marca sigma de acuerdo con el
coeficiente R2 que es superior al encontrado en la cinética de primer orden lo cual
indica el intercambio de electrones entre el colorante y el adsorbente o lo que
podríamos llamar adsorción química (Molina, 2010).
En cambio el modelo cinético de primer orden describe el proceso de adsorción de
la fibra de coco, el carbón activado Fisher y el carbón vegetal activado con ácido
fosfórico con coeficientes R2 superiores a los encontrados en la cinética de pseudo
segundo orden, lo cual nos describiría una adsorción física (Molina,2010).
64
Capítulo 5
5. Conclusiones
De los resultados obtenidos en la presente investigación sobre la adsorción del
colorante Rosa Brillante, se establecen las siguientes conclusiones:
El colorante utilizado en la tinción de papas es el Rosa Brillante ya que coincide
con la longitud de onda de máxima absorción de la muestra tomada, coincide con
la longitud de onda de máxima absorción a dos diferentes disolventes reportados,
coincide con el producto que se vende para la coloración de papa. Hay pequeñas
diferencias que pueden se explicadas al estar trabajando con productos de grado
técnico y que pueden presentar diferencias en su composición.
Se puede concluir que el ingrediente activo que proporciona el color rosa del
colorante Rosa Brillante es la Rodamina B, a utilización de esta ha sido cuestionada
desde 1980 y prohibido su uso en Estados Unidos desde 1988 para el estudio de
aguas, debido a que es tóxica para el ambiente (organismos acuáticos) a
concentraciones mayores a 10 ppm. Esta toxicidad se asume es, principalmente,
por la formación de di-ntirosamina (compuesto cancerígeno) en presencia de nitrito.
De acuerdo a lo señalado por la USEPA en 1998 y la Comunidad Europea en el
2004 (a través de la AESA), la Rodamina B es un compuesto tóxico y está prohibida
su utilización tanto en estudios de dispersión en cuerpos de agua como en alimentos
(como aditivo).
Aunque se concluye en base a las pruebas que fue posible realizar dentro de los
laboratorios de la Facultad de Ciencias Químicas que el ingrediente activo del
colorante rosa brillante es rodamina b, sería conveniente realizar otros análisis que
confirmen esta conclusión.
De acuerdo con los datos experimentales se puede concluir que el colorante Rosa
Brillante es factible de ser removido mediante un proceso de adsorción en carbón
activado, pero a pesar de que la hipótesis se cumplió al proponer el carbón vegetal
activado al remover el 98% de la concentración del colorante, es posible que el
65
tiempo de contacto de 11 horas sea demasiado extenso si se quiere implementar
al proceso de tinción de papas, ya que en él se realizan varias descargas al día, y
para poder ser tratadas tendrían que ser
almacenadas para su posterior
tratamiento, por otro el carbón activado marca Sigma es capaz de remover el
colorante en su totalidad y en un tiempo de contacto mucho menor al del carbón
vegetal activado, pero el costo del adsorbente sería muy elevado, por lo que sería
conveniente realizar un estudio de costo beneficio de ambos adsorbentes para
determinar qué tan factible seria su implementación.
66
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