• Author / Uploaded
• Fernando Tuni Huanca

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN INGENIERIA QUIMICA

TEMA:

“BIOADSORCION DE CROMO”

CURSO: MATERIALES INDUSTRIALES DOCENTE: RODOLFO ROQUE PEREZ MENDEZ INTEGRANTE:    

COAQUIRA PACOMPIA DEYSI HUANCA LARICO ROSA MILAGROS TUNI HUANCA FERNANDO HERRERA MUÑOZ MICHAEL

AREQUIPA – PERU

2018

BIOADSORCION DE METALES PESADOS EN AGUAS RESIDUALES

Tema: Extracción de la pectina de la cascara de naranja y el acondicionamiento para la adsorción del metales pesados.

I.

INTRODUCCION La pectina, se caracteriza porque tiene la propiedad de formar complejos con ciertos los metales, algunos de ellos son geles insolubles que pueden separarse fácilmente por filtración En el objetivo del presente trabajo, fue evaluar el comportamiento de la pectina del albedo de naranja, con cromo para distintas condiciones de pH y temperatura, donde esta evaluación consistió básicamente en la determinación del porcentaje de remoción de metal pesado. La determinación del cromo, se hará por medio de la filtración usando como filtrador la pectina, esta estará envuelta en papel filtro, luego se introducirá en un líquido que contendrá el metal pesado, en este caso el cromo para su extracción. Este problema de investigación tiene un impacto ambiental, ya que la mayoría de afluentes contiene metales pesados y sus concentraciones son altamente toxicas para la salud. Entonces es necesaria la generación de tecnologías que conlleven a la reducción del impacto ambiental, para un desarrollo sostenible, dentro de esta problemática se plantea que se pueden atrapar metales pesados utilizando como material biodegradable la pectina que se encuentra en la cáscara de naranja y vale mencionar que es un material de desecho, por lo tanto pueden aprovecharse sus bondades con la finalidad de remover los metales pesados de lugares contaminados con estos elementos. Se genera este planteamiento debido a que la estructura química de la pectina, presenta bondades, como para poder formar compuestos con los iones de los metales pesados

II.

OBJETIVOS 2.1.OBJETIVO GENERAL 

Extracción de los metales pesados utilizando la pectina como filtrador durante el proceso de la adsorción.

2.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS     

III.

Determinar si la cantidad de adsorbente influye en la concentración del metal. Identificar si la concentración del metal influye en el proceso. Determinar el proceso de adsorción. Determinar la eficiencia de remoción de los metales pesados. Proponer un tratamiento alternativo de la actividad floculante a partir de pectina.

JUSTIFICACIÓN 3.1.Justificación técnica Existen numerosos métodos físicos, químicos y biológicos para el tratamiento y la remoción de metales pesados presentes en soluciones acuosas. Entre los químicos, la precipitación y el tratamiento electroquímico son considerados inefectivos en especial cuando la concentración del metal en la solución se encuentra entre 1 y 100 mg. L-1; además, el primero de ellos produce grandes cantidades de lodo que debe ser posteriormente tratado. Entre los tratamientos físicos, el intercambio iónico y la adsorción sobre carbón activado son procesos caros cuando se tratan grandes volúmenes de agua y efluentes conteniendo metales pesados en baja concentración por lo que no pueden ser usados a gran escala. Entre las tecnologías biológicas, se destaca la biosorción (Volesky, 2001) que puede ser definida como una tecnología de remoción de metales y metaloides de efluentes por materiales biológicos. 3.2.Justificación ambiental La contaminación por metales pesados es seguramente uno de los problemas ambientales más serios. Industrias producen residuos que contienen metales pesados y éstos terminan transfiriéndose al medio ambiente debido a un incorrecto tratamiento o disposición final La peligrosidad de los metales pesados es aún mayor al no ser ni química ni biológicamente degradables Por lo tanto se debe exigir a las industrias un buen plan de manejo y disposición final de sus residuos peligrosos, evitando la entrada a los

ecosistemas y reduciendo la concentración de los metales pesados hasta los niveles guías establecidos por la legislación vigente. Haciendo el uso de materiales biológicos. 3.3.Justificación económica La aplicación de materiales de bajo costo obtenidos a partir de diferentes biomasas provenientes de la flora microbiana, algas y residuos agroindustriales ha sido investigada para reemplazar el uso de métodos convencionales en la remoción de contaminantes, tales como los metales pesados. La biosorción resulta ser una de las tecnologías más prometedoras, no solamente por su bajo costo, sino porque se trata de un proceso rápido que permite tratar grandes volúmenes de agua con bajas concentraciones de metal en forma eficaz. Además la posibilidad de emplear biomasa muerta o productos derivados de su metabolismo, supera problemas de toxicidad e incluso permite la regeneración y reutilización del biomaterial por varios ciclos de adsorción/desorción. 3.4.Justificación académica Este proyecto pretende utilizar los métodos de filtración para la separación de los metales pesados y obtener las concentraciones del metal que se obtuvo, la eficiencia que presento y una actividad de floculante a partir de la pectina por parte de los estudiantes de la carrera de ingeniería química. Este proyecto nos permitirá aplicar los conocimientos adquiridos en varios métodos de adsorción de compuestos que no son aptos para su uso y en el transcurso de nuestra carrera

IV.

HIPOTESIS La pectina la podemos encontrar en la cascara de la naranja y tiene la capacidad de bioadsorcion por lo podría ser utilizada como bioadsorbente en tratamientos de aguas contaminadas con metales pesados como el cromo o plomo y a mayor bioadsorcion mayor será la eficiencia.

V.

MARCO TEÓRICO

5.1 Bioadsorcion La bioadsorción es un proceso que permite la captación activa o pasiva de iones metálicos, debido a la propiedad que diversas biomasas vivas o muertas poseen para enlazar y acumular este tipo de contaminantes por diferentes mecanismos. 5.1.1 Proceso de biosorción de metales pesados El término “biosorción”, se utiliza para referirse a la captación de metales que lleva a cabo una biomasa completa (viva o muerta), a través de mecanismos fisicoquímicos como la adsorción o el intercambio iónico. Cuando se utiliza biomasa viva, los mecanismos metabólicos de captación también pueden contribuir en el proceso. El proceso de biosorción involucra una fase sólida (sorbente) y una fase líquida (solvente, que es normalmente el agua) que contiene las especies disueltas que van a ser sorbidas (sorbato, e. g. iones metálicos). Debido a la gran afinidad del sorbente por las especies del sorbato, este último es atraído hacia el sólido y enlazado por diferentes mecanismos. Este proceso continúa hasta que se establece un equilibrio entre el sorbato disuelto y el sorbato enlazado al sólido (a una concentración final o en el equilibrio). La afinidad del sorbente por el sorbato determina su distribución entre las fases sólida y líquida. La calidad del sorbente está dada por la cantidad del sorbato que puede atraer y retener en forma inmovilizada. Fig 1: Bioadsorcion de metales pesados

5.2 Adsorción La adsorción es el resultado de la atracción entre las moléculas de la superficie del sólido y las del fluido. En los procesos de adsorción, al soluto retenido se le denomina adsorbato y el sólido sobre el que se retiene es el adsorbente o simplemente sorbente. Como adsorbentes se utilizan sólidos que se presentan una gran superficie de contacto, y en general suelen ser porosos.

5.2.1 Las características principales de la adsorción son: I. La adsorción es altamente selectiva. La cantidad adsorbida depende en gran medida de la naturaleza, del tratamiento previo al que se halla sometido a la superficie del adsorbente y de la naturaleza de la sustancia adsorbida. II. Es un proceso rápido cuya velocidad aumenta cuando aumenta la temperatura, pero desciende cuando aumenta la cantidad adsorbida 5.2.2 Efecto de la dosis de Adsorbente en la adsorción La cantidad de adsorbente es el factor que va a limitar hasta cierto punto la concentración de metal que se adsorbe, es decir a mayor cantidad de adsorbente, obtendremos una mayor adsorción, pero lo ideal es llegar a una relación de equilibrio, entre la cantidad de adsorbente y la concentración de metal, para un óptimo resultado de adsorción. 5.3 Bioadsorbente Los bioadsorbente son materiales capaces de adsorber directamente el metal de forma iónica de la solución. Los biomateriales son sometidos a tratamientos fisicoquímicos sencillos y de bajo costo; con el fin de mejorar su capacidad de adsorción en los procesos de aplicación como remoción de metales pesados o recuperación de especies metálicas en solución. Se ha comprobado que la capacidad para la eliminación de contaminantes de los biomateriales se relaciona con la gran variedad de grupos funcionales presentes en su estructura. 5.3.1 Pectina Las pectinas son una mezcla de polímeros ácidos y neutros muy ramificados. Constituyen el 30 % del peso seco de la pared celular primaria de células vegetales. Determinan la porosidad de la pared, y por tanto el grado de disponibilidad de los sustratos de las enzimas implicadas en las modificaciones de la misma. Las pectinas también proporcionan superficies cargadas que regulan el pH y el balance iónico. 5.3.2 La pectina como bioadsorbente Son polisacáridos altamente hidrofílicos, ya que pueden adsorber agua de cien hasta quinientas veces con respecto a su propio peso. Su estructura básica la conforman moléculas de ácido D galacturónico unidas por enlaces glicosídicos que constituyen el ácido poligalacturónico. Cuando la pectina tiene una proporción elevada de metoxilos, el grado de hidratación se reduce debido a la disminución de la carga eléctrica. En este caso, el enlace entre las moléculas pécticas queda básicamente asegurado por iones hidrógeno entre grupos hidroxilo. Estos enlaces son débiles y los geles pécticos de este tipo se caracterizan por una

gran plasticidad. Cuando la proporción de metoxilos es baja y, por lo tanto, la proporción de grupos –COO- disponibles es elevada, los enlaces que se establecen entre las moléculas pécticas se pueden realizar a través de cationes divalentes (Ca+2, Cu+2, etc.), los geles obtenidos son más estables. La desmetoxilación de la pectina que se encuentra en las cáscaras de naranja, limón y nopal se puede realizar mediante la utilización de los álcalis en frío (4°C). Este proceso permite aumentar el contenido del grupo –COO y por lo tanto la capacidad de adsorción. 5.4 El cromo en aguas residuales El cromo se encuentra en efluentes industriales principalmente como Cr (III) y Cr (VI); este Los métodos convencionales para el tratamiento de efluentes con metales pesados, tales como la reducción, la oxidación, el intercambio iónico, la filtración, y las tecnologías de membrana resultan ser costosos e ineficientes a bajas concentraciones de metal. El empleo de biomasa elimina el problema de la toxicidad, y permite recuperar los metales pesados retenidos, así como reutilizar el adsorbente. 5.4.1 Mecanismo de adsorción del cromo utilizando la pectina de la cascara de naranja De acuerdo a diversos estudios realizados para diferentes especies de cromo en fase sólida y acuosa, se ha demostrado que el principal mecanismo de eliminación de Cr (VI) para distintos biomateriales fue la reacción de óxido-reducción de Cr (VI) a Cr (III). Los biomateriales pueden remover el Cr (VI) de medio acuoso mediante dos mecanismos:  Mecanismo de óxido-reducción directo  Mecanismo de óxido-reducción indirecta Al usar la cáscara de naranja como material bioadsorbente se lleva a cabo el mecanismo de óxido-reducción indirecta, el cual se describe a continuación: Mecanismo de óxido-reducción indirecto Este mecanismo consta básicamente de tres pasos:  La unión del Cr (VI) a los grupos cargados negativamente, los cuales se encuentran en la superficie del biomaterial, entre estos grupos podemos mencionar los iones carbonilo y amino, presentes en la cáscara de naranja.  La reducción del Cr (VI) a Cr (III) por los grupos donadores de electrones adyacentes del biomaterial.  Liberación del Cr (III) reducido en la fase acuosa debido a la repulsión electrónica entre los grupos con carga positiva y el Cr (III), este último proceso se denomina elución o desorción.

5.5 Determinación de la cantidad de sustancia retenida por un adsorbente

q (mmol/g) = (Ci - Ceq)* V/m Dónde:  Ci: es la concentración inicial del adsorbato (iones de metal);  Ceq: es la concentración del adsorbato cuando el sistema alcanza el equilibrio de adsorción;  V: es el volumen que se ha tomado para realizar la adsorción (ml);  m: es la masa del bioadsorbente seco (g). Generalmente para el tratamiento de los datos experimentales obtenidos a partir de la bioadsorción de iones de metales pesados por diferentes bioadsorbentes, se utiliza la ecuación de Langmuir o de Freundlich.

VI.

PLANTEAMIENTO OPERACIONAL MATERIALES - Bagueta - Frasco - Papel filtro - Pectina - Plomo - Balanza PROCEDIMIENTO    



Se llevó a cabo los experimentos de adsorción con un proceso discontinuo a una temperatura ambiente. Se realizó tres pruebas. Se pesó 5 gramos de pectina y se colocó en papel filtro, luego se cerró por los tres lados utilizando hilo para que la muestra de la pectina no se salga. Del mismo modo se hizo con una muestra de 8 y 13 gramos de pectina. Seguidamente en tres frascos de vidrio se colocó 115 ml de efluente de cromo y en cada uno se puso las muestras de pectina para realizar los respectivos ensayos. Tomando un patrón de cromo puro, se esperó 3 días para ver los resultados de absorción por parte de la pectina.

VII. ANALISIS DE RESULTADOS Luego de tres días se observó que la pectina logro absorber el cromo pero no en su totalidad, ya que el color se volvió un verde claro pero no se logró volver transparente:  Para una muestra de 5 gramos, el cromo fue absorbido en un mínimo notándose todavía su respectivo color.  Para una muestra de 8 gramos, el cromo a diferencia del primero fue absorbido en más cantidad.  Y para la última muestra de 13 gramos el cromo fue absorbido casi en su totalidad, quedando algunos restos. Esto pudo deberse a que faltaba más tiempo o falto realizar las pruebas con mayor cantidad de cromo al igual que la pectina. Tabla 1: datos de la pectina y efluente W pectina (g)

PM de la pectina 𝐠 (𝐦𝐨𝐥)

 pectina + efluente 𝐠 ( ) 𝐦𝐥

Vol. Del efluente (ml)

PM del cromo 𝐠 ( ) 𝐦𝐨𝐥

5

194,1

0.04

115

51,9961

8

=

0.06

115

=

13

=

0.11

115

=

PARÁMETROS DE TRABAJO o Concentración hallada: 0.21 g/mol, 0.35 g/mol, 0.57 g/mol o Tiempo del filtrado: 72 horas o Condiciones ambientales - Temperatura ambiente: 10-20 oC. - Presión atmosférica: 486 mmHg. - Humedad relativa: 30-50 % o PH: 0.67, 0.45, 0.24 Cálculos:

n=(

𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜

.115 𝑚𝑙

) 𝑥 100

n = ( 300𝑚𝑙 ) 𝑥100 = 𝟑𝟖. 𝟑𝟑 %

Tiempo de equilibrio: Corresponde al estado en el cual, el material bioadsorbente consigue retener la máxima cantidad de soluto; a unas determinadas condiciones de operación. Para determinar el tiempo de equilibrio para cada uno de los tamaños de la cáscara de naranja, se colocaron recipientes con volúmenes de 300 mL de disolución acuosa, a concentración de 100 ppm de Cr (VI), pH y concentración de adsorbente determinadas. Los experimentos permanecieron en contacto durante 72 h. Durante el experimento se tomaron muestras de fase líquida a tiempos de tres horas.

VIII.

CONCLUSIONES Se ha obtenido el bioadsorbente a partir de la cascara de naranja con presencia de pectina y grupos funcionales muy importantes que tienen afinidad con el cobre. Se determinó la Bioadsorción de cu (vi), en aguas residuales, se desarrolló por exposición en el material bioadsorbente de 13 g a un volumen de 115 ml de cromo de agua residual de cobre por el tiempo máximo de 72 horas Se concluye que es una buena alternativa de tecnología limpia para la remoción de cobre de aguas contaminadas. Se determinó el tiempo ha sido fundamental para la bioadsorción del cromo.

IX.

RECOMENDACIONES La cantidad de adsorbente es el factor que va a limitar hasta cierto punto la concentración de metal que se adsorbe, es decir a mayor cantidad de adsorbente, obtendremos una mayor adsorción, pero lo ideal es llegar a una relación de equilibrio, entre la cantidad de adsorbente y la concentración de metal, para un favorable resultado de adsorción. El proyecto indica que las cáscaras de naranja, (cuyas composiciones contienen pectina) tratadas por el método utilizado en este trabajo pueden ser usadas para la separación de iones de metales pesados.

X.

ANEXOS

Propiedades físicas del bioadsorbente

Figura 1 Estructura de la pectina

Figura 2 Reticulacion de la pectina

Figura 3. Mecanismo de adsorción del Cr(VI), en fase acuosa.

Pruebas de remoción

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 8

Fig. 7

Fig. 9

Fig. 10

Muestras :

Fig. 11

Fig. 12

Fig.13

Bibliografía  Cañizares Villanueva Rosa Olivia (2000), Biosorción de metales pesados mediante el uso de biomasa microbiana. Recuperado de: “https://www.medigraphic.com/pdfs/lamicro/mi-2000/mi003f.pdf.”  Tejada Tovar Candelaria, Villabona Ortiz Ángel y Garcés Jaraba Luz (Enero-junio de 2015) Adsorción de metales pesados en aguas residuales usando materiales de origen biológico. Recuperado de:”http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=344234336010”  Villanueva H. Claudia y Tapia Nelson (2005), Bioadsorción de cu (ii) por biomasas que contienen pectina recuperado de: “http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtual/publicaciones/ing_quimica/v08_n1/pdf/a02v8. pd”  Tejada Tovar Candelaria, Villabona Ortiz, Ángel y Garces Jaraba, Luz (2015). Adsorción de metales pesados en aguas residuales usando materiales de origen biológico. Recuperado de:”http://www.scielo.org.co/scielo.php?pid=S012377992015000100010&script=sci_abstract&tlng=es”  Melgar M. Arturo (julio 2017) 2) Evaluación del proceso de biosorción del colorante rodamina contenida en las aguas residuales de la Cooperativa Textil Manufacturas del Centro Ltda. con cáscara de naranja modificada.