UTILIZACIÒN DE BIOCARBON DE CÀSCARA DE COCO FUNCIONALIZADO CON NANOPARTICULAS DE OXIDO DE ZINC PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA SANITARIA
FACULTAD DE ECOLOGÍA
INFORME
UTILIZACIÒN DE BIOCARBON DE CÀSCARA DE COCO FUNCIONALIZADO CON
NANOPARTICULAS DE OXIDO DE ZINC PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS
ASIGNATURA
FISICA II
DOCENTE
Erick Rubèn Gavidia
ESTUDIANTES
Heiner Campos Salazar
Cristian Martínez Tocto
Julio César Pérez Acuña
Jhon Cristian Vallejos Huancas
Elisandro Jorge Noreña
Johann Miller Terrones Jiménez
Harry Andrew Mondragón Abad
SEMESTRE ACADÉMICO
2021-II
CICLO
IV
ÌNDICE
1.
INTRODUCCIÒN..................................................................................................................... 3
2.
OBJETIVOS .............................................................................................................................. 4
2.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................ 4
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................... 4
3. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................... 4
3.1. Cáscara de Coco ..................................................................................................................... 4
3.2. Nanopartìculas de Óxido de Zinc ......................................................................................... 4
3.3. Biocarbòn ................................................................................................................................ 5
3.4. Materia Prima ........................................................................................................................ 5
3.5. PRODUCCIÓN de Biocarbòn............................................................................................... 6
4. PROCEDIMIENTO ...................................................................................................................... 7
4.1. Recolección y acondicionamiento de las materias primas .................................................. 7
4.2. Producción de biocarbón ....................................................................................................... 7
4.3. Funcionalización del biocarbòn ............................................................................................ 8
4.4. Pruebas de Adsorción ............................................................................................................. 8
4.4.1 Caracterización de las muestras de aguas........................................................................... 8
4.4.2 Pruebas de Adsorción......................................................................................................... 8
4.4.3 Pruebas de Antimicrobianas ............................................................................................... 9
5. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 10
6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ...................................................................................... 11
1. INTRODUCCIÒN
En el Perú la mayoría de las fuentes de agua incumplen, los estándares de calidad ambiental para
aguas en sus diferentes usos, siendo el más crítico en el uso destinado para producción de agua potable
en el ámbito rural y urbano.
En el presente trabajo se desarrollará, evaluará la capacidad del biocarbón de cáscara de coco y
biocarbón funcionalizado con nanopartículas de Óxido de Zinc, para comprobar su capacidad de
adsorción respecto a ciertos contaminantes como los metales pesados y su capacidad de inhibición
de microorganismos que se encuentran en el agua de Tumbes Por lo descrito se formula el
problema: ¿Es posible el tratamiento de aguas utilizando biocarbón y biocarbón funcionalizado con
nanopartículas de óxido de zinc a partir de residuos de cáscara de coco?
El presente proyecto de tesis nos brindara una data muy valiosa e importante, para poder conocer
la eficiencia de adsorción del biocarbón de cáscara de coco y biocarbón funcionalizado con
nanopartículas de Óxido de Zinc, así como su capacidad de inhibición. El principal objetivo de evaluar
el efecto de la funcionalización de nanopartículas de Óxido de Zinc en biocarbón de cáscara de coco
para su uso en el tratamiento de aguas.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
-Evaluar el efecto de la funcionalización de nanopartículas de óxido de Zinc en
biocarbòn de cáscara de coco para uso en el tratamiento de aguas.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
-Evaluar el biocarbòn funcionalizado con nanopartìculas de óxido de Zinc.
-Utilizar el biocarbòn y el biocarbòn funcionalizado con nanopartìculas de Óxido de
Zinc, obtenido a partir de la cáscara de coco en el tratamiento de aguas.
3. MARCO TEÓRICO
3.1. CÁSCARA DE COCO
Cáscara de coco es una importante materia prima para la producción de carbón vegetal
en el mundo, especialmente en los países en desarrollo como Indonesia, Malasia,
India. El carbón de cáscara de coco se utiliza en muchas industrias gracias a sus
beneficios y las propiedades importantes. Además, el carbón de coco puede ser
molido y usado para la producción de carbón activado. Gracias a su agradable olor el
carbón de coco es reconocido como uno de los mejores combustibles para la cocción
de alimentos.
Hay muchos métodos de producción de carbón de coco, pero la más efectiva es la
producción a través de un especial horno de carbón utilizando el proceso de pirolisis,
lo que implica la quema de cáscara de coco en un cantidad limitada de oxígeno. Es
importante saber que el oxígeno puede destruir la cáscara, si el aire no está limitado.
Para obtener el carbón de alta calidad cáscara de coco debe ser limpia, totalmente
seca y natural.
3.2. NANOPARTÌCULAS DE ÓXIDO DE ZINC
Las sales metálicas se han utilizado para distintas aplicaciones como desinfección de
agua, textiles y cosméticos. El creciente interés por las nanopartículas de Óxido de
Zinc se debe a sus propiedades físicas, químicas y biológicas que se aprovechan en
diversas aplicaciones como la catálisis, el almacenamiento de datos y el uso
biomédico. Las nanopartículas de óxido de zinc pueden utilizarse de diferentes
formas, ya sea soluciones coloidales o recubrimientos poliméricos sólidos, esta
versatilidad también ha causado la expansión comercial de este tipo de
nanopartículas, así como el desarrollo de nuevos métodos de obtención. Las
propiedades de las nanopartículas dependen de sus características. Las propiedades
ópticas de las nanopartículas de Óxido de Zinc están relacionadas con la estructura,
la forma, la distribución de tamaño, entre otras, que pueden ser controladas mediante
el método de síntesis.
Es universalmente conocido que las nanopartículas de óxido de zinc son
antibacterianas e inhiben el crecimiento de microorganismos al penetrar en la
membrana celular.
3.3. BIOCARBÒN
Biocarbón es un tipo de carbón que ayuda a los suelos a retener nutrientes y agua,
funciona como una esponja absorbente para luego liberar lentamente los nutrientes con
el paso del tiempo. Es un material sólido obtenido de la carbonización de la biomasa a
través de un proceso denominado pirólisis (combustión de materia orgánica en ausencia
de oxígeno). Biocarbón mejora los suelos y tiene la capacidad de retener nutrientes,
reducir los requerimientos de fertilizantes y aumentar los rendimientos de los cultivos.
Así como la reestructuración del suelo, mejorando sus propiedades físicas, la retención
de agua del suelo, ayuda al desarrollo de la microflora de los suelos y aumento de su
actividad biológica. El carbón producido a partir de biomasa, o biocarbón, es una
promisoria enmienda de suelos que combina la durabilidad química con altas áreas
superficiales y de capacidad de intercambio iónico.
3.4. MATERIA PRIMA
Sabemos que existen varias materias primas para producir biocarbón. La mayoría de las
materias primas son recursos renovables. Con el cambio estacional, se produciría un
nuevo lote de biomasa. Los residuos de biomasa son inagotables. Mientras tanto, debido
a la abundancia de elementos de carbono, se pueden utilizar tipos de residuos de biomasa
para producir biocarbón. Los residuos de biomasa son un recurso valioso y ecológico.
Por lo tanto, deberíamos aprovechar al máximo los residuos de biomasa. Si solo quema
los desechos de biomasa o los tira, es un desperdicio de recursos. Convertir los residuos
de biomasa en biocarbón con equipos de producción de biocarbón es un negocio muy
rentable. Entre los materiales más utilizados ese tiene a los residuos de cosecha, plantas
secas, biomasa de árboles, desechos de papel, de arroz, de coco; los residuos de aceituna,
desperdicios orgánicos de la vida humana.
3.5. PRODUCCIÓN DE BIOCARBÒN
El biocarbón es un producto con abundante carbono derivado de la descomposición
térmica de las materias primas, en condiciones de aire restringido y a temperaturas
comprendidas entre 350 y 700ºC (Glaser B. et al., 2001). El rendimiento en peso del
biocarbón, depende mucho de los parámetros y condiciones de operación del proceso de
pirólisis, así como de la temperatura final y de la composición de la materia prima
(Mašek,O et al., 2013).
Para la obtención de biocarbón existen diferentes tecnologías a utilizar entre las
principales tenemos la pirolisis, la gasificación, la carbonización hidrotérmica y la
carbonización rápida (Meyer et al., 2011).
- Pirólisis lenta, se define por periodos de calentamiento de la biomasa pausados,
temperaturas bajas y largos tiempos de exposición de los materiales y el gas. Los
periodos de calentamientos son de 0,1 a 2 °C por segundo y predominan las temperaturas
en torno a de los 500 °C. El tiempo de exposición de la biomasa puede ser de minutos a
días (Sadaka, 2007). Según Gheorghe et al., (2009) este sería el proceso con mejor
rendimiento de biocarbón.
- Pirólisis rápida, el calentamiento sobrepasa los 200 °C/s y las temperaturas que
predominan se encuentran por encima de los 550 °C. Debido al corto tiempo de
residencia del gas, los biocarbones son de alta calidad, principalmente son líquidos,
como los bioaceites (Farag et al., 2002; Czernik y Bridgwater, 2004; Sadaka, 2007).
- Pirólisis ultrarrápida, las temperaturas a las que se llega en este proceso son moderadas
(400-600 °C) y con tasas de calentamiento rápidas (>2 °C/s). Los tiempos de exposición
al vapor son usualmente menores a 2 s (Sadaka, 2007; Demirbas, 2009).
- Gasificación, durante este proceso la biomasa, principalmente madera, se quema en
una secuencia de dos reacciones. La primera es la conversión de madera a carbón
mediante carbonización con gasificación de la madera. Después de la formación de
carbón, la segunda reacción, con mayor temperatura, convierte al carbón en ceniza y se
conoce como gasificación de carbón. Si hay demasiado oxígeno entonces todo el carbón
es consumido y sólo quedan cenizas (McLaughin et al., 2009).
- Carbonización hidrotérmica, consiste en calentar los materiales con una buena
proporción de agua, como lodos residuales, estiércoles, entre otros, que son puestos en
agua, y a pesar de que la temperatura es alta, no se llega a la ebullición (Brick, 2010).
Asimismo, se pueden obtener biocarbones a temperaturas bajas (200 °C) y tiempos muy
cortos (Titirici et al., 2007). Además, como no se necesita secar los materiales para hacer
el biocarbón, hay un gran ahorro de energía de este proceso y por tanto los costos de
producción disminuyen.
4. PROCEDIMIENTO
4.1. RECOLECCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LAS MATERIAS
PRIMAS
La materia prima de cáscara de coco será recolectada en los diferentes campos de
producción o centros de acopio, en grandes cantidades, la cascará de coco debe estar
totalmente limpia, para luego secarlo a temperatura ambiente u otras opciones (estufa),
hasta que tenga un peso constante. Luego será molida y tamizada hasta alcanzar el
tamaño de partículas comprendidos entre 0,5 y 1,00 mm, esta materia será almacenada
en sacos en un lugar seco y con temperatura controlada para evitar su deterioro.
4.2. PRODUCCIÓN DE BIOCARBÓN
Para la producción de biocarbon se utilizará cáscara de coco con tamaño de partícula
inicial de 0,50 – 1.00 mm, luego la muestra se colocará en un tubo de acero inoxidable
para ser introducido en un reactor adaptado a un horno tubular, a 600 ºC durante dos
horas, finalmente el material será lavado con solución acida (0.1 N de HCL) y agua
destilada, para ser secado a 80 ºC hasta tener peso constante.
4.3. FUNCIONALIZACIÓN DEL BIOCARBÒN
Para la funcionalización del Biocarbón se utilizará tamaño de partícula inicial del
Biocarbon se utilizará tamaño de partícula inicial de < 0,50 mm, luego se prepararán
soluciones de hidróxido de sodio (NaOH) 0,5 M y Nitrato de Zinc (Zn(NO3)2) 0,5 M,
como agente precursor, se trabajará en proporción 1/10 m/v. Se colocará la solución
Hidróxido de Sodio con el Biocarbon en agitación y calentamiento constante hasta llegar
a 60 ºC, luego comenzar con la titulación de la solución de Nitrato de Zinc, finalizada la
titulación, dejar en agitación contante por 50 o 30 minutos, eliminar el sobrenadante y
colocar en la estufa a 70 ºC por 12 horas.
4.4. PRUEBAS DE ADSORCIÓN
4.4.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS DE AGUAS
Se recolectará una muestra compuesta de agua de río, en cada punto de muestreo se
recolectará 1 L de muestra, el cual será trasladado al Laboratorio para determinar la
concentración de metales pesados presentes en la muestra con un fotómetro, y poder
realizar las pruebas de Adsorción (Equilibrio y cinética), utilizando el biocarbón y
biocarbón funcionalizado con nanopartículas de ZnO.
4.4.2 PRUEBAS DE ADSORCIÓN
 Equilibrio
Para esta prueba; la muestra se depositará en el matraz erlemeyer, luego se ajustará
el pH de 3 a 10 con ácido sulfúrico 0,1N e hidróxido de sodio 0,1 N, se colocará en
agitación constante y luego se añadirá una dosis 0,05 g de los materiales adsorbentes
a experimentar. Finalizada las 48 horas, se extraerán las muestras para calcular la
cantidad de contaminante adsorbido en los biocarbones utilizando un fotómetro. Para
evaluar los datos de adsorción de equilibrio de los absorbentes se empleará los
modelos de Langmuir, Freundlich, la ecuación de Redlich-Peterson y la ecuación de
Dubinin- Radushkevich en su la forma no lineal.
 Cinética
Después de la ejecución de la prueba de equilibrio, se determinarán las condiciones
para realizar esta prueba, como: pH, dosis. Para la realización de esta prueba se
colocará la muestra en el matraz erlemeyer ajustando el pH en agitación constante y
luego se añadirá una cantidad determinada de material adsorbente. Luego se extraerán
muestras en los tiempos de 0, 2, 5, 10, 15, 20, 30, 60, 90, 120, 150 y 180 minutos para
calcular la cantidad de contaminante adsorbido en los biocarbones utilizando un
fotómetro. Para esta prueba se aplicará la ecuación de Pseudo primer orden (PFO),
Pseudo segundo orden (PSO), y de Elovich en la forma no lineal.
4.4.3 PRUEBAS DE ANTIMICROBIANAS
Las bacterias se cultivarán en caldo de Luria a 36 °C +/-1 C durante 24 h. Luego, se
suspendió una alícuota del cultivo en una solución salina fisiológica (10 ml) y se
ajustó la turbidez a 0,5 del nefelómetro Mac Farland (1×108 UFC/mL). Se añadieron
0,1 g de los adsorbentes a la suspensión y luego se agitó durante 2 h en condiciones
estériles. Se tomaron 0,1 mL de la suspensión en diferentes momentos entre 0 y 140
minutos y luego se diluyó. La solución diluida se sembró con 20 mL de agar MullerHinton y se incubó a 37 ºC durante 24 h.
5. CONCLUSIONES
-Se evaluó el efecto de la funcionalización de nanopartículas de óxido de Zinc en biocarbòn
de cáscara de coco para uso en el tratamiento de aguas.
-Se evaluó el biocarbòn funcionalizado con nanopartìculas de óxido de Zinc.
-Se utilizó el biocarbòn y el biocarbòn funcionalizado con nanopartìculas de Óxido de Zinc,
obtenido a partir de la cáscara de coco en el tratamiento de aguas.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 Tecnología Biocarbón | FAO. (2020). Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria
(INTA) Costa Rica. https://www.fao.org/family-farming/detail/es/c/1401392/
 Beston Machinery. (2021, 11 noviembre). Equipo de producción de biocarbón: más
de 1000 casos. Beston Company. https://bestoncompany.com/es/biochar-productionequipment/
 La producción de carbón vegetal de coco. (2011, 21 noviembre). Eco Friendly
Technology.
Recuperado
1
de
diciembre
de
2021,
de
https://carboneros.org/clients/articles/2011-11-21-14-30-20/esp/