EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA EN LA ADSORCIÓN DE Pb (II) UTILIZANDO OLOTE DE MAÍZ

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1 EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA EN LA ADSORCIÓN DE Pb (II) UTILIZANDO OLOTE DE MAÍZ García Albortante Julisa 1, Barranco Barreto Hannali 1, Barceló Quintal Dagmar Icela 1, Salazar Peláez Mónica Liliana 1, López Chuken Ulrico Javier 2, Hernández Moreno Adolfo 1 1 Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco, Departamento de Ciencias Básicas. Avenida San Pablo No Colonia Reynosa Tamaulipas, México D.F. CP Orquídea No. 74, Jardines del Tepeyac C.P , Estado de México. Tel: (52) julygaal@yahoo.com.mx, ibarceloq@gmail.com, monsalazarp@gmail.com, iq_ahm@hotmail.com 2 Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas, Laboratorio de Investigación en Ciencias Ambientales. Av. Pedro e Alba s/n. San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México CP ulrico_chuken@hotmail.com Resumen El uso de bioadsobentes para la remoción de metales de un sistema acuoso, es una alternativa viable y de bajo costo, por lo que en este trabajo se utilizó olote de maíz con dos tamaños de partícula para determinar la remoción de Pb (II) empleando diferentes concentraciones. Se realizó un estudio de IR y los grupos funcionales encontrados están asociadas con las señales características de la celulosa, lignina y hemicelulosa. El área superficial para la malla No 325 resultó ser mayor (2.8 m 2 /g). Las adsorciones se realizaron utilizando un sistema por lotes con un ph= 5 y una temperatura constante (25 C). Los resultados del porcentaje de remoción para la malla No 325 (<44 mm) fue de 90 % y para el tamaño de partícula entre las mallas 60 y 40 (0.42 mm-0.25 mm) el porcentaje de remoción fue menor (65 %). Los datos experimentales de la adsorción se ajustaron a la ecuación de Langmuir y Freundlich, siendo este último favorable con valores de R 2 =0.98, para los dos tamaños de partícula. Palabras clave: Olote de maíz, Langmuir, Freundlich Introducción La bioadsorción de metales pesados en sistemas acuosos puede ser considerada como una tecnología alternativa en el tratamiento de aguas residuales provenientes de efluentes industriales. Este proceso utiliza biomateriales que abundan en la naturaleza como algas, plantas acuáticas, residuos de procesos industriales y de la agricultura (Pagnanelli, 2011), en donde la sustancia adsorbida se une a la superficie del adsorbente mediante fuerzas física, haciéndolo un proceso reversible (Reyes et al., 2006). Los factores que regulan la cantidad adsorbida de metal depende de la naturaleza del adsorbente, ph, temperatura, concentración del metal, área superficial, tiempo de contacto, tamaño de partícula, etc. (Manahan, 2007, García 2013). Los adsorbentes que provienen de los residuos, representan un material valioso para la remoción de los metales, tal es el caso del olote de maíz, también conocido como tuza de maíz o corazón del maíz, el cual es un desecho de la agricultura producido a gran escala durante el desgranado del maíz cuando es procesado (FAO, 2014). Por lo anterior este trabajo tiene por objeto realizar una evaluación de la capacidad de remoción de Pb (II) mediante el uso de cáscara de olote con dos tamaños de partícula. Metodología Recolección y caracterización del olote de maíz El olote de maíz se recolectó en Zacualpan de Amilpas Morelos. Se trituró con un molino de 72 martillos marca azteca, modelo , número 20 y se tamizó con un sistema de mallas tipo Tyler: No. 325 (<44mm) y malla No. 40 y retenida en malla No. 60 (0.42 mm-0.25 mm). Se realizó la determinación del Área superficial (BET) en un equipo marca BEL, modelo BELSORP, se realizó un espectro IR empleando un espectrofotómetro infrarrojo, marca Thermo Scientific, modelo Nicolet is10 y se determinó la concentración de plomo en el adsorbente empleando la técnica de flama por A.A. Tiempo de contacto Para determinar el tiempo de contacto del olote de maíz, se realizó una prueba preliminar de adsorción, con diferentes tiempos (30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 s), en donde se utilizó 20 ml de solución de nitrato de plomo Pb(NO3)2 y 0.5 g de olote de maíz Adsorción Con el tiempo de contacto determinado se realizaron los experimentos utilizando el contacto por lotes para la adsorción de Pb (II) hasta lograr el equilibrio. El ph utilizado fue 5, con el fin de evitar reacciones de precipitación y una temperatura de 25 C. Se utilizaron 17 concentraciones diferentes manteniendo

2 una agitación constante en un orbital tipo shaker (100 rpm) teniendo precaución de que todo el adsorbente estuviera en contacto con la solución metálica Tratamiento de los datos experimentales Modelos de isotermas de adsorción Para el tratamiento de las isotermas experimentales del olote de maíz con dos tamaños de partícula. Se emplearon los modelos de Freundlich y Langmuir. Isoterma de Langmuir Es un modelo teórico, el cual describe los datos experimentales producidos en el equilíbrio en las superfícies homogéneas, se utiliza para estimar la capacidad de adsorción en la que se considera: a) la superfície del adsorbente presenta sítios energéticos homogéneos b) solamente uma molécula puede ser adsrobida en un sitio y la adsorción sucede en una monocapa c) no existen interaciones entre las moléculas adsorbidas. La ecuación de Langmuir lineal se representa: (1) qe q m Kq m Ceq Donde: qe es la concentración del soluto adsorbido por unidad de peso de adsorbente (mg/g); Ceq, concentración del soluto en equilíbrio (mg/l); K, constante de Langmuir (L/g) y qm es la capacidad máxima de retención del adsorbente (mg/g). Isoterma de Freundlich Es un modelo empírico, que representa el proceso de adsorción no ideal de formación de multicapas em superfícies heterógeneas (Elzinga et al., 1999) considerando que los sítios de adsorción son ocupados primero por enlaces fuertes y que la fuerza de enlace decrece al incrementar la ocupación de sítios de adsorción (Padmesh et al., 2006), el modelo se muestra en la ecuación 2. log 1 qe log K logc.....( 2) f n Donde: qe es la concentración del soluto adsorbido por unidad de peso en equilibrio (mg/g); Ce, concentración del metal en equilíbrio (mg/l); kf es la constante de Freundlich relacionada con la capacidad de adsorción del sólido, en mg/g; n es una constante adimensional que describe la afinidad entre el adsorbente y el metal, (Ho et al., 2002). Discusión de resultados Caracterización El área superficial del olote de maíz con dos tamaños de partícula se determinó mediante el análisis BET de adsorcióndesorción de N2, en donde se observa que el tamaño de partícula más pequeño posee una área superficial mayor (Tabla 1). Sin embargo el diámetro promedio de poro para los dos tamaños de partícula se encuentra dentro de los materiales mesoporosos. e Tabla 1. Areas superficiales y tamaño de poro del olote de maíz Tamaño de partícula (mm) Área superficial m 2 /g Dporo (nm) No. 325 (>44) 2.8 ± No ( ) 1.7 ± La espectroscopia infrarroja de olote de maíz (Figura 1) muestra bandas típicas que corresponden a enlaces que forman parte de grupos funcionales que pertenecen a azúcares que están asociadas con las señales características de la celulosa, lignina y hemicelulosa (Samanta et al, 2012, Oliveira et al, 2010). Las bandas , , , , , cm -1 se atribuyen a grupos funcionales característicos de la celulosa y las bandas , , cm -1 corresponden a la hemicelulosa. En el caso de la caso de las vibraciones en cm -1 son características de la lignina. Figura 1. Espectro IR del olote de maíz La concentración de Pb determinado por A.A. se encuentra por debajo del límite de detección en flama (LD= 7 mg/l). Tiempo de contacto y porcentaje de remoción Considerando el tamaño de partícula de la malla Tyler No 325 (<44 mm), se observa que el porcentaje de remoción fue de 89.5 % en un tiempo de 3 min y para el tamaño entre las mallas No. 40 y retenida en malla No. 60 (0.42 mm-0.25 mm), el porcentaje de remoción fue menor (65.6 %), lo anterior se atribuye a la diferencia entre las áreas superficiales. Isotermas de adsorción Las isotermas de adsorción de Langmuir muestran tanto para el olote de maíz tamizado con la malla No 325 como para el tamaño de partícula entre la malla que los datos obtenidos de las adsorciónes experimentales no se ajustan a una adsorción en monocapa (Figuras 2a y 2b).

3 Log qe (g/mg) Log qe (g/mg) 1/Ce (g/mg) 1/Ce (g/mg) En cuanto a las isotermas de Freundlich obtenidas de la adsorción de Pb (II) sobre el olote de maíz, para los dos tamaños de partícula, se observa que la mayoría de los datos se ajustan a este modelo (Figuras 3a y 3b). experimentales de las adsorciones. La qm de Langmuir aumenta con la disminución del tamaño de partícula (Tabla 2 y 3). Tabla 2. Constantes de las isotermas de Langmuir y Freundlich (Malla No 325) /Ce (L/mg) Figura 2a. Isoterma de Langmuir con Malla No Figura 2b. Isoterma de Langmuir con Malla No /Ce (L/mg) Log Ce (L/mol) Figura 3b. Isoterma de Freundlich con Malla No Log Ce (L/mg) Figura 3b: Isoterma de Freundlich con Malla No Las constantes obtenidas y el coeficiente de correlación del modelo de Langmuir y Freundlich para la malla No 325 se muestran en la Tabla 2, donde el modelo de Freundlich tiene una correlación cercana a 1 (R 2 =0.98) ajustándose a los datos Langmuir Freundlich R 2 q m K L R 2 K f n Comparando el valor del parámetro n en el modelo de Freundlich, con respecto a los dos tamaños de partícula, este permanece constante (n=1.24), lo que significa que la adsorción no cambia con el tamaño de partícula, posiblemente se tenga una adsorción sencilla. Con respecto a la constante de Freundlich (Kf) se muestra una pequeña variación pero no es significativa, denotando una afinidad del material adsorbente por el Pb (II). Tabla 3. Constantes de las isotermas de Langmuir y Freundlich (Malla No 60-40) Langmuir Freundlich Conclusiones R 2 q m K L R 2 K f n En este estudio se concluye que el olote de maíz por ser un material de naturaleza lignocelulosa es muy efectivo como adsorbente, donde el tamaño de partícula es determinante para la remoción del Pb (II), ya que con el tamaño de partícula de olote obtenido en la malla No 325 (<44 mm) se removió un 90 % de la concentración inicial del metal. En cuanto a los modelos de adsorción, la qm de Langmuir fue mayor con el tamaño menor de partícula, lo cual significa que la capacidad máxima de adsorción aumenta de forma inversa al tamaño de partícula en la adsorción del Pb (II) con olote de maíz. El modelo de Freundlich es el que mejor describe el proceso de adsorción de este sólido con el Pb (II), con una correlación de 0.98, para los dos tamaños de partícula, formando una adsorción en multicapas de naturaleza posiblemente sencilla, en donde el tamaño de partícula no modifica el fenómeno adsortivo. Referencias FAO, (2014). Organización de las naciones unidas para la alimentación y la agricultura. Ho Y. S., Porter y McKay. (2002). Equilibrium isotherms studies for the sorption of divalent metal ions onto peat, copper, nickel and lead single component sistems. Water, Air and Soil Pollution. 141,1-33.

4 García A. J., Barceló Q. I., García R. M., Domínguez M. E., Salazar P. M., Flores M. J. (2013). Uso de cascara de huevo y lirio acuático (EICHOORNIA CRASSIPES) para la remoción de Pb (II). IV Congreso Internacional de Docencia e Investigación en Química, CIDIQ, México, D.F, 1-8. Manahan S. E. (2007). Introducción a la química ambiental:contaminación del agua, México, D.F, Reverté, 1ª ed., Oliveira, E. E., Silva A, A. E., Nagashima, T. J., Salgado, G. M. C., Aguiar, L. M., Rodrígues, M. H., Batista, A. I., Bayer, M. P., Ricardo, M. P. S. N., Gomes, O. A. Tabosa, E. E. S. (2010). Xylan from corn cobs, a promising polymer for drug delivery: Production and characterization. Bioresource Technology, 101, Pagnanelli, F. (2011). Microbial Biosorption of Metals: Equilibrium, Kinetic and Dynamic Modelling of Biosorption Processes. Springer Netherlands, 1a ed., Padmes T., K. Vijayaraghavan, G. Sekaran, M. Velan (2006) Aplication of two and three parameter isotherm models: Biosorption of acid red 88 onto Azolla microphylla. Bioremediation Journal. 10 (2), Reyes T. E. D., Cerino-Córdova F. J., Suárez-Herrera M. A. (2006). Remoción de metales pesados con carbón activado como soporte de biomasa. Ingenierías. 9 (31), Samanta, A. K., Seniana, S., Kolte, A. P., Sridhara, M., Sampatha, K. T., Jayapala, N., Devia, A. (2012). Production and in vitro evaluation of xylooligosaccharides generated from corn cobs. Food Bioproduction Process, 90,

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