IV. MATERIALES Y MÉTODOS. 4.1 MATERIALES. Para la elaboración de las mezclas se requieren de los siguientes materiales para

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1 IV. MATERIALES Y MÉTODOS 4.1 MATERIALES. Para la elaboración de las mezclas se requieren de los siguientes materiales para llevar acabo la elaboración de vidrios mediante la técnica de vitrificación: Arena Sílice Hidróxido de Calcio puro (Cal). Carbonato de Sodio (Puro). Arcilla Sal de Plomo (Acetato de Plomo), 100% pureza. Sal de Cobre (Sulfato de Cobre), 100% pureza. Sal de Fierro (Sulfato Ferroso), 100% pureza. Sal de Cadmio (Sulfato de Cadmio), 100% pureza. De los materiales anteriores se utilizaron: Arena Sílice, Carbonato de Calcio, Hidróxido de Calcio, y Arcilla, con los cuales se partió para elaborar mezclas para encontrar condiciones óptimas para la fabricación de vidrio disminuyendo el punto de fundición de la mezcla. Basándonos en los resultados obtenidos en el proyecto anterior en cuanto a la selección de material y equipo relacionados con esta técnica se utilizaran los siguientes equipos y materiales: SYBRONT/Thermolyne Digital Furnatrol 322 con bóveda de 8 pulgadas por lado, logrando alcanzar temperatura máxima de 1300 C. Materiales y Métodos 29

2 Figura 4. 1 Mufla SYBRONT/Thermolyne Digital Furnatrol 322 Navecillas de Cerámica de 3 pulgadas de largo por ½ de ancho y ¼ de profanidad. Estas navecillas dieron un resultado adecuado en la experimentación del proyecto de investigación anterior. Figura 4. 2 Navecilla de Cerámica El material anterior y equipo mencionado fueron utilizados para llevar acabo el proceso de vitrificación ya que es el que nos permite obtener resultados satisfactorios al momento de hornear la mezcla Materiales y Métodos 30

3 4.1.1 SECADO DE MATERIALES. Debido a que nuestros materiales contienen humedad, debido al ambiente, se secaron dentro de un horno de temperatura controlada alrededor de 60 C durante 1 día para asegurarnos que se perdiera toda la humedad que contenían. Esto se realizo con el fin de facilitar los cálculos que se realizaran posteriormente. A continuación se muestra de la estufa donde se llevo acabo el secado de los materiales: Figura 4. 3 Estufa de Temperatura Controlada. Rango de Temperatura C DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE CARBÓN EN ARENA. Debido a que la arena utilizada para realizar las mezclas contiene carbono, es decir, que nuestra arena tiene la apariencia de carbón, ya que contiene cierto porcentaje del mismo, es importante conocer dicho porcentaje para cálculos posteriores. Lo que se realizo fue tarar la navecilla hasta llevarla a peso constante, y posteriormente agregar la arena con la que se realizaron las mezclas, y hacer lectura del peso inicial. Posteriormente se llevo a una temperatura de 600 C durante 6 horas para poder oxidar el carbón y lograr que la arena obtuviera una apariencia blanca o de arena, y como ultimo paso se tomo el peso final de la navecilla para realizar los cálculos correspondientes. Materiales y Métodos 31

4 4.1.3 DISMINUCIÓN DEL PUNTO DE FUNDICIÓN. De acuerdo a los resultados obtenidos en el proyecto de investigación anterior, donde se propuso un porcentaje de arena de no mayor del 60% dentro de la mezcla, se obtuvo que el punto de fusión de la mezcla era alrededor de 1100 C, obteniendo resultados satisfactorios. Como nuevo objetivo de este proyecto de investigación se propuso disminuir este punto de fusión de la mezcla. Por tal motivo se decidió disminuir la presencia en porcentaje de peso en la muestra de sílice, y aumentando la presencia del fundente por no más del 45% en porcentaje peso. Por lo tanto se propusieron tres mezclas bases, en las cuales, la variación que se tenia era en la cantidad de fundente presente dentro de la misma, manteniendo la relación de Aluminio dentro de la misma, es decir, del 10%, mientras que el fundente vario de 35%-45% en intervalos de 5% MATRICES EXPERIMENTALES. Debido a que se van a trabajar 3 mezclas bases, es decir, mezclas que contengan 35%, 40%, y 45% de fundente, y para cada una de estas mezclas se agregaran las concentraciones de metales de 1%,3%,5%, 7% y 8.5% de metal, se tuvieron 15 muestras para cada una de las Sales con las que se trabajaron a continuación se muestran las matrices experimentales bases: Material Mezcla 1 Mezcla 2 Mezcla 3 Silice 45% 42.5% 37.5% Cal 10% 7.5% 7.5% Carbonato de Calcio 35% 40% 45% Arcilla 10% 10% 10% Tabla 4. 1 Composiciones para mezclas bases Las mezclas anteriores fueron las que se utilizaron durante todo el trabajo experimental y a las cuales se les agregaron las concentraciones problemas de metales a cada una. A continuación se muestran las matrices experimentales para cada una de las sales utilizadas: Materiales y Métodos 32

5 Mezcla al 45% de Fundente con Sulfato Ferroso 1 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato Ferroso % % % % % Fierro % % % % % Mezcla al 40% de Fundente con Sulfato Ferroso 1 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato Ferroso % % % % % Fierro % % % % % Mezcla al 35% de Fundente con Sulfato Ferroso 1 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato Ferroso % % % % % Fierro % % % % % Tabla 4. 2 Matriz Experimental para Sulfato Ferroso Materiales y Métodos 33

6 Mezcla al 45% de Fundente con Sulfato de Cobre 1.5 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato de Cobre % % % % % Cobre % % % % % Mezcla al 40% de Fundente con Sulfato de Cobre 1.5 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato de Cobre % % % % % Cobre % % % % % Mezcla al 35% de Fundente con Sulfato de Cobre 1.5 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato de Cobre % % % % % Cobre % % % % % Tabla 4. 3 Matriz Experimental para Sulfato de Cobre Materiales y Métodos 34

7 Es importante señalar que con respecto a las matrices experimentales de la Tabla 4.1 y de la Tabla 4.2 para Sulfato Ferroso y Sulfato de Cobre respectivamente, debido a su relación molar de cada una es muy grande, se necesitaron grandes cantidades de sal para tener el porcentaje deseado de metal presente dentro de la mezcla, por tal motivo se puede observar que para porcentajes altos, la cantidad de sal es mucho mayor que la de los demás materiales. A continuación se presentan las matrices experimentales para las sales restantes (Acetato de Plomo y Sulfato de Cobre): Materiales y Métodos 35

8 Mezcla al 45% de Fundente con Acetato de plomo 1 mg 1% 3% 5% 7% 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Acetato de Plomo % % % % % Plomo % % % % % Mezcla al 40% de Fundente con Acetato de plomo 1 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Acetato de Plomo % % % % % Plomo % % % % % Mezcla al 35% de Fundente con Acetato de plomo 1 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Acetato de Plomo % % % % % Plomo % % % % % Tabla 4. 4 Matriz experimental para Acetato de Plomo Materiales y Métodos 36

9 Mezcla al 45% de Fundente con Sulfato de Cadmio 1 mg 1% 3% 5% 7% 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato de Cadmio % % % % % Cadmio % % % % % Mezcla al 40% de Fundente con Sulfato de Cadmio 1 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato de Cadmio % % % % % Cadmio % % % % % Mezcla al 35% de Fundente con Sulfato de Cadmio 1 mg 1% mg 3% mg 5% mg 7% mg 8.5% Silice % % % % % Cal % % % % % Carbonato de Calcio % % % % % Arcilla % % % % % Sulfato de Cadmio % % % % % Cadmio % % % % % Tabla 4.5 Matriz experimental para Sulfato de Cadmio Materiales y Métodos 37

10 Con respecto a estas dos sales de estos metales, la relación molar es pequeña y por tal motivo, se necesitaron menos cantidad de las mismas para cumplir con los porcentajes deseados de concentración. Es importante mencionar que las composiciones base propuestas anteriormente no se vieron afectadas, ya que se mantuvieron constantes, es decir, se mantuvieron los porcentajes de cada uno de los materiales PREPARACIÓN DE LAS MEZCLAS. Para realizar las mezclas de todos los materiales necesarios para llevar obtener vidrio mediante la técnica de vitrificación se utilizaron los siguientes materiales: 2 vasos de precipitado de 20mL 1 agitador de vidrio Balanza analítica de g (Shimatzu Libror) Ya que el objetivo de este proyecto de tesis es analizar la retención de metales en sustratos arenosos, se propusieron concentraciones de sales de metales como son: Acetato de Plomo, Sulfato Ferroso, Sulfato de Cobre y Sulfato de Cadmio, de los cuales se propuso trabajar con concentraciones de 1%, 3%, 5%, 7% y 8.5% de metal presente en la mezcla como ya se menciono. Una vez obtenidas las cantidades que se necesitaban agregar a una muestra de 1g se realizo la siguiente metodología: 1. Tarar un vaso de precipitado en la Balanza analítica. 2. Agregar la cantidad calculada para el material correspondiente dentro de la mezcla. 3. Vaciar la cantidad pesada del vaso de precipitado inicial, al segundo vaso de precipitado, asegurándose de no perder muestra al momento de realizarlo. Materiales y Métodos 38

11 4. Colocar el mismo vaso que se taro en la balanza analítica y agregar la cantidad necesaria del siguiente material. 5. Repetir el paso 3 y 4 hasta que se hayan agregado todos los materiales necesarios. 6. Una vez agregados todos los materiales, mezclar vigorosamente con el agitador de vidrio, asegurándose de tener una mezcla homogénea. 7. Vaciar el material dentro de la navecilla, procurando no perder mezcla 8. Pesar la navecilla y registrar su peso inicial Es importante señalar que antes de agregar la mezcla dentro de la navecilla, se debió de haber llevado a peso constante cada una y registrar su peso sin muestra. Esto con el fin de conocer las pérdidas experimentales que se tendrán al momento de hornear las muestras. 4.2 PRUEBA PECT. Para la determinación de concentración de metales se realizo la prueba PECT (prueba de extracción para constituyentes tóxicos), la cual nos permite determinar si uno residuo es toxico (la T de la prueba CRETIB) dicha prueba es mencionada en la NOM- 053-SEMARNAT EQUIPOS Y MATERIALES. Para realizar la prueba CRETIB se utilizaron los siguientes equipos: Equipo de agitación. Parrilla Sybron Thermolyne Equipo de Filtración (embudos y papel filtro) Potenciómetro Analógico Cole Parmer Vidrio de reloj Matraces Erlenmeyer de 250mL Materiales y Métodos 39

12 Equipo de calentamiento con temperatura controlada (Estufa) REACTIVOS. Los reactivos utilizados para la realización de la prueba CRETIB fueron: Acido Clorhídrico HCl (1.0 N) Hidróxido de Sodio NaOH (1.0 N) Acido Acético Glacial CH 3 -COOH, grado reactivo analítico Acido Nítrico HNO 3 (1.0 N) Agua Destilada Reactivos de extracción PREPARACIÓN DE REACTIVOS DE EXTRACCIÓN. Para poder realizar la prueba de extracción, se deben de preparar los reactivos de extracción, de acuerdo al procedimiento correspondiente para cada reactivo de extracción REACTIVO DE EXTRACCIÓN Añadir 5.7mL de acido acético glacial a 500mL de agua destilada 2. Añadir 64.3mL de NaOH 1 N y posteriormente aforar a 1 litro 3. El ph de este reactivo debe de ser de 4.93± REACTIVOS DE EXTRACCIÓN Diluir 5.7mL de acido acético glacial con agua destilada a un volumen de 1 litro. 2. El ph de este reactivo debe ser de 2.88± SELECCIÓN DEL REACTIVO DE EXTRACCIÓN APROPIADO. 1. Pesar una fracción de la fase sólida, reducir el tamaño de la partícula en caso de ser necesario aproximadamente de 1mm de diámetro o menos. 2. Transferir la cantidad obtenida de fase sólida a un vaso de precipitado. 3. Agregar 96.5mL de agua destilada Materiales y Métodos 40

13 4. Cubrir con un vidrio de reloj y agitar vigorosamente utilizando un agitador magnético durante 5 minutos. 5. Medir el ph de la solución 1. Si el ph es menor a 5 usar el reactivo de extracción a 1 2. Si el ph es mayor a 5: a. Añadir 3.5mL de HCL 1N. b. Mezclar y cubrir con un vidrio de reloj c. Calentar a 50 C y mantener esta temperatura durante 10 minutos d. Dejar enfriar la solución a temperatura ambiente e. Medir el ph i. Si el ph es menor de 5 usar el reactivo de extracción 1 ii. Si el ph es mayor a 5 usar el reactivo de extracción PROCEDIMIENTO DE PRUEBA CRETIB. 1. Colocar al menos 0.1g de vidrio en un matraz Erlenmyer de 250mL 2. Añadir el reactivo de extracción correspondiente. Es importante que la cantidad de reactivo sea 20 veces el peso de la muestra en relación pesopeso, y que la misma quede totalmente sumergida en el reactivo. 3. Sellar herméticamente los matraces con parafilm los matraces, asegurándolos con liga. 4. Colocar los matraces en el equipo de agitación a 60rpm durante 24+3 horas. Mantener la temperatura a 23±2 C 5. Filtrar los extractos PECT 6. Envasar los filtrados en tubos de ensayo de vidrio. 7. Acidificar los extractos hasta que tengan un ph menor o igual a 2 Materiales y Métodos 41

14 8. Refrigerarlos a una temperatura de 4 C. Una vez concluido con el procedimiento para la obtención de los extractos, estos pueden ser analizados en el equipo de absorción atómica a más tardar durante los siguientes 14 días a los que se obtuvo y refrigero el extracto. 4.3 PRUEBAS DE ABSORCIÓN ATÓMICA. Para la determinación de la concentración de metales en solución acuosa, se utilizó el equipo de absorción atómica Espectronic AA, y a su vez se utilizaron las lámparas correspondientes para cada uno de los metales para poder hacer las mediciones y lecturas de absorbancia y concentración de cada uno de las muestras obtenidas. De igual forma se tuvieron que preparar soluciones estándares con concentraciones conocidas de los metales problemas, que posteriormente se utilizaron para saber la concentración que se tiene en cada una de las muestras PREPARACIÓN DE ESTÁNDARES. La preparación de estándares se llevo acabo utilizando las sales de los metales y siendo disueltas en HCL 1M, esto con el fin de asegurarnos de que los metales se encontraran disueltos en los estándares y no tener precipitaciones ni interferencias en los mismos ESTÁNDARES DE FIERRO. Se prepararon el estándar de cobre de 25ppm, y posteriormente a partir de este, se obtuvieron los estándares de 1, 1.5, 3, 5 y 7.5 ppm. A continuación se muestran los cálculos realizados para obtener el estándar de 25ppm: Materiales y Métodos 42

15 25mgFe 1L 1molFe 1molFeSO *7H O mgFeSO *7H O mLsol 4 = 12.4mgFeSO * H O 4 2 1Lsol 1000mL mgFe 1molFe 1molFeSO *7H O Tabla 4. 6 Cálculos de la cantidad de sal para preparar una solución 25ppm de Fierro Una vez calculada la cantidad de sal que se requiere agregar a una solución de 100mL, para obtener 25ppm, se obtuvieron los demás estándares utilizando la formula de dilución. Las soluciones que se obtuvieron tenían un volumen de 50mL. En la tabla siguiente se muestran las cantidades requeridas en volumen de la solución de 25ppm de metal y la cantidad complementaria de HCl para poder tener las concentraciones requeridas. Concentración (ppm) ml Sol. 25ppm ml HCl Tabla 4. 7 Volumen requerido para la preparación de estándares a partir de 25ppm ESTÁNDARES DE PLOMO. Para la preparación de este estándar, se hicieron los mismos cálculos que para la preparación del estándar de fierro, sin embargo, se decidió preparar una soluciones de 125ppm debido a que la relación molar que existe en la sal utilizada (Acetato de Plomo) es muy pequeña, se necesito una concentración más alta de plomo en 100mL. Los cálculos se muestran a continuación: 125mgPb 1L * 1Lsol 1000mL *100mLsol * 1molPb * mgPb 1mol(CH 3 COO) 2 Pb 3 H 2 O * 3molPb mg(C H 3 COO) 2 1mol(CH 3 COO) 2 Pb 3 H 2 O = 14.8mg(CH 3 COO) 2 Pb 3 H 2 O Pb 3 H 2 O Tabla 4. 8 Cálculos de la cantidad de sal para preparar una solución 125ppm de Plomo Materiales y Métodos 43

16 Al igual que en la preparación del estándar de Fierro, se prepararon los demás estándares mediante diluciones de la solución a 125ppm, aforrándolas a un volumen de 50mL. En la tabla siguiente se muestran los volúmenes requeridos tanto de la solución como de HCl: Concentración (ppm) ml Sol. 125ppm ml HCl Tabla 4. 9 Volúmenes requeridos para la preparación de estándares a partir de 125ppm de Plomo ESTÁNDARES DE CADMIO. Se prepararon los estándares de 1, 1.5, 3, 5 y 7.5ppm, a partir de una solución de 50ppm, que se preparo a 100mL de volumen. Se muestran los cálculos realizados para obtener la cantidad de gramos que se requieren del Sulfato de Cadmio para obtener dicha concentración: 50mgCd 1L 1molCd 1mol3CdSO H O mg3CdSO H O 100mLsol 4 *8 2 4 * mg3CdSO4 H 2O 1Lsol 1000mL 112.4mgFe 3molCd 1mol3CdSO H O *8 4 *8 = 2 Tabla Cálculos para la preparación de solución de cadmio a 50ppm Una vez obtenido el estándar de cadmio de 50ppm, se obtuvieron los demás estándares a partir de diluciones de esta misma solución. A continuación se muestran los volúmenes requeridos de la solución de 50ppm y de HCl para tener un volumen total de 50mL: Materiales y Métodos 44

17 Concentración (ppm) ml Sol. 50ppm ml HCl Tabla 4.11 Volúmenes requeridos para la preparación de estándares a partir de una solución de 50ppm de Cadmio ESTÁNDARES DE COBRE. Para el cobre se prepararon los estándares de 1, 2, 4, 5, y 6ppm, a partir de una solución de 6ppm de Cobre en 500mL. Se muestran los cálculos que se realizaron para obtener la cantidad de sal que se debían de agregar para tener dicha concentración en el volumen deseado. 6 mgcu 1Lsol 1L 1000 ml 500 mlsol 1molCu 63.53mgCu 1molCuSO *5 H O 4 2 1molCu 249.5mgCuSO *5 H O 4 2 1molCuSO *5 H O 4 2 = mgCuSO 4 * 5 H O 2 Tabla Cálculos para la preparación de solución de Cobre a 6ppm A partir de esta solución se prepararon los demás estándares mediante diluciones a un volumen de 100mL. A continuación se muestran las cantidades de la solución de 6ppm de metal y la cantidad de HCl para tener las concentraciones requeridas: Concentración (ppm) ml Sol. 6ppm ml HCl Tabla Volúmenes requeridos para la preparación de estándares a partir de 6ppm de Cobre CURVAS DE CALIBRACIÓN CURVA DE CALIBRACIÓN DE FIERRO. Para obtener estos datos se utilizó el equipo de absorción atómica, así como la lámpara de Fierro. En la tabla 4.11 se muestra la concentración y la absorbancia para Materiales y Métodos 45

18 los estándares preparados. En la grafica 4.1 se muestra la grafica con los valores de concentración y absorbancia de la tabla 4.10, así como la regresión lineal y el valor de R 2. Curva Calibración Fierro [ppm] Absorbancia Tabla Curva de Calibración para Fierro Concentraciónvs. Absorbancia Absorbancia y = x R 2 = Concentracion (ppm) Figura 4. 4 Grafica y regresión lineal para Curva de Calibración de Fierro CURVA DE CALIBRACIÓN DE PLOMO. De igual manera que para la curva de calibración de fierro, se utilizaron el mismo equipo y se utilizaron los estándares preparados, obteniendo la absorbancia de los mismos, utilizando el equipo de absorción atómica así como la lámpara para plomo. Materiales y Métodos 46

19 En la tabla 4.12 se muestran los datos de calibración y en la grafica 3.2 se muestra la gráfica de estos puntos, y la regresión lineal y la ecuación que se obtiene. Curva Calibración Plomo [ppm] Absorbancia Tabla Curva de Calibración para Plomo Concentración vs. Absorbancia y = x Concentración (ppm ) R 2 = Absorbancia 8 Figura 4. 5 Grafica y regresión lineal para Curva de Calibración de Plomo CURVA DE CALIBRACIÓN PARA CADMIO. En la tabla 4.12 se muestran los datos de concentración y las absorbancia para cada uno de los estándares preparados para este metal. En la gráfica 4.3 se muestra la regresión lineal así como la ecuación de la recta que se obtiene. Materiales y Métodos 47

20 Curva Calibración Cadmio [ppm] Absorbancia Tabla Curva de Calibración para Cadmio Concentración vs. Absorbancia Absorbancia y = 0.052x R 2 = Concentracion (ppm ) 8 Figura 4. 6 Gráfica y regresión lineal para Curva de Calibración de Cadmio CURVA DE CALIBRACIÓN COBRE. En la tabla 4.13 de muestran los datos de concentración y las absorbancias para los estándares preparados para Cobre, y posteriormente en la gráfica 4.4 se muestra la gráfica de estos puntos y la regresión lineal con la ecuación de la recta que se obtiene. Materiales y Métodos 48

21 Curva Calibración Cobre [ppm] Absorbancia Tabla Curva de Calibración para Cobre Concentración vs. Absorbancia Absorbancia y = x R 2 = Concentración (ppm ) Figura 4.7 Gráfica y regresión lineal para la curva de calibración de Cobre Materiales y Métodos 49