Propuesta de diseño en batch para remoción de plomo (II) desde solución acuosa, empleando un material adsorbente cubano

Transcripción

1 Propusa d disño n bach para rmoción d plomo (II) dsd solución acuosa, mplando un marial adsorbn cubano Jaim Duñas Morno Rsumn. Las aguas rsiduals provnins d dirns indusrias, consiuyn una d las uns más agrsivas d conaminación d las aguas supricials. El plomo s uno d los mals psados más dañinos, con divrsas conscuncias a la salud humana. El marial slccionado para l sudio provin d la rgión orinal dl país. En l rabajo s ralizó un sudio cinéico para drminar l modlo, apa qu conrola y impo d quilibrio n l procso d adsorción para las condicions xprimnals ijadas. Admás s propuso l disño d un adsorbdor por apas (simpl apa, lujo cruzado y lujo conracorrin) para un volumn máximo d 5 L, para porcnajs d rmoción dirns. El disño d lujo conracorrin s más acibl a mplar dsd l puno d visa conómico ya qu limina la misma canidad d ions Pb 2+ prsn n la solución, n l mismo impo pro con la miad d minral rspco al disño por simpl apa qu rquirió la mayor canidad d minral. Palabras clav: Pb 2+, adsorción, conaminación, ransrncia d masa. I. INTRODUIÓN La conaminación d las aguas hoy n día, s un problma alarman n odos los paíss, sobr odo n los mnos dsarrollados conómicamn. Daos rporados por la Organización d las Nacions Unidas (ONU), n la acualidad, l 17 % d los habians dl plana no inn accso al agua poabl y l 38,4 % carc d un sanamino adcuado, valors qu involucran crca dl 5 % d la población mundial. Oros inorms dan cuna d qu cinco millons d prsonas, niños mayoriariamn, murn cada año por bbr agua conaminada. D orma al, s impon a nivl mundial la urgncia n prvr sismas d raamino d aguas conaminadas con l objivo d ruilizarlas. Dnro d los principals conaminans dl agua rporados n liraura, s pudn ciar los mals psados procdns d los rsiduals indusrials. [1] Elmnos málicos als como arsénico, mrcurio, cadmio, cromo, níqul, zinc, cobr, plomo y oros, son pligrosos para l mdio ambin dbido a sus cos óxicos, los cuals s incorporan a la cadna alimnicia y los rcib l hombr. Un problma crcin a nivl mundial lo son las dscargas dircamn a los mdios acuáicos, d grands canidads d aguas rsiduals con lvados connidos d mals psados. A dirncia d los compusos orgánicos, los mals psados no son biodgradabls, rayndo como conscuncia su acumulación n la nauralza y por ano n l hombr, l cual los rcib d orma prconcnrada. [2] Exisn varios méodos para la liminación d mals psados n mdios líquidos. Esos incluyn: prcipiación (involucra l mplo d racivos químicos, cososos n gran mdida), vaporación, inrcambio iónico, raamino lcroquímico (la rcupración dl mal s llva a cabo mdian su dposición n orma málica sobr l cáodo n un racor lcroquímico), la biorrmdiación (qu considra la capacidad naural d muchos microorganismos d capurar y liminar los mals psados), [3] y cnologías d mmbrana nr oros. Esos procsos suln sr cososos incivos, spcialmn cuando s aplican n ambins con concnracions d mals por dbajo d 1 mg/l. [4]. La slcción dl méodo adcuado sá basada n la concnración dl mal n l agua rsidual y l coso dl raamino. La adsorción s uno d los méodos rridos para la rmoción d mals psados, mplando marials adsorbns como son: zolias, arcillas, carbons acivados c. [5] Es méodo s aplicado n procsos indusrials disñando unidads d raamino con bunos rndiminos d rmoción. [6] uba s un país qu prsna divrsos yaciminos d rcursos minrals con aplicacions rsringidas a la indusria d la consrucción y crámica y qu pudn prsnar poncialidads para l raamino d rsiduals líquidos conaminados con mals psados, aunqu con s úlimo objivo no s conoc qu s sén uilizando n la acualidad. II. MATERIALES Y MÉTODOS El marial slccionado u un minral procdn dl yacimino Ají d aldras, ubicado n la rgión orinal dl país. El marial s amizó y s slccionó la racción más ina (mnor qu, 25 mm). Las disolucions uron prparadas n un rango d,2-,1 mol/l (a parir d una sal d Pb 2+ grado analíico d la Mrck), por sucsivas dilucions d la disolución madr d la sal dl mal d concnración,1 mol/l. Las concnracions d Pb 2+ n las disolucions s drminaron mdian spcromría scuncial n un spcrómro d misión aómica con plasma inducivamn acoplado (IP-OES), Spcrolam FTMO8, SPETRO. El impo d quilibrio s drminó mdian un sudio cinéico con l objivo d conocr l impo máximo qu s alcanza al saurars l marial, para so l minral s puso n conaco con una disolución con concnración cial d,9 mol/l d Pb 2+ con agiación mcánica. ada diz minuos s 4

2 omaron musras a las qu s ls drminaron las concnracions. S considró qu l sisma alcanzó l quilibrio a parir dl impo n qu la concnración d la disolución s manuvo aproximadamn consan. Exisn rs apas qu pudn conrolar l procso d adsorción: 1. Diusión dl soluo n la plícula líquida qu borda al marial. 2. Diusión a ravés d los poros dl marial. 3. La adsorción dl soluo sobr los siios acivos. uando la rsisncia qu orc una apa dl mcanismo a la ransrncia d masa s muy suprior con rspco a la ora s dic qu sa apa s la qu conrola l procso d adsorción. Mdian la xprsión 1 s pudo drminar la aproximación raccional al quilibrio (F): F y : oncnracions d Pb 2+ n las disolucions ans y dspués d ocurrido l procso d adsorción. : oncnración d las disolucions n l impo, odas xprsadas n mol/l. uando F alcanza l valor d la unidad, s qu s alcanza l quilibrio. Para conocr cuál u la apa qu conroló l procso d adsorción s mplaron las xprsions 2 y 3. La qu mjor dscribió una lína rca, u la apa qu s asumió como conrolan d dicho procso. ln( 1 F) k (2) ln(1 F ) k (3) El sudio cinéico ambién s uilizó para conocr l modlo qu dscribió l procso. Hacindo uso d los daos xprimnals y mdian las xprsions 4 y 5 s pudo inrir cuál dscribió l procso ln Q Q lnq k (4) Q 1 (5) k Q 2 Q Q y Q : anidads adsorbidas n l quilibrio y n cada una d las musras omadas n los inrvalos d impos. Las isormas xprimnals d adsorción d Pb 2+ para los marials s obuviron ponindo n conaco,5 g dl marial n 25 ml d las disolucions d dirns concnracions dl mal, con agiación mcánica, dspués d lo cual s ilró. Al xraco obnido s l midió la innsidad (oons/sg.) y s drminaron las canidads adsorbidas por unidad d masa Q d adsorbn, n mol/g. (1) ( ) x ads (6) Q m m x : olumn dl líquido xraído dspués d la adsorción n ml, ads s la canidad d ion málico adsorbido n mol/l por l sólido y m s la masa d adsorbn uilizada n g. Las isormas xprimnals obnidas al graicar Q vs. q s ajusaron con l modlo d Langmuir y d Frundlich, uilizando las xprsions 7 y 8 rspcivamn. 1 (7) Q K Nm Nm 1 (8) log Q log K log n K : anidad mayor d Pb 2+ qu pudo adsorbr l minral, n s la avorabilidad d la adsorción. K: onsan d Langmuir qu sá rlacionada con la nrgía d las inraccions adsorbao-adsorbn. N m : apacidad máxima d adsorción d Pb 2+ por l minral. Exisindo la paricularidad qu N m s la capacidad d la monocapa (o sa, la canidad d mols ncsarios para cubrir la suprici con una capa compaca dl spsor d una molécula) para l Modlo Langmuir y n da una mdida qu an avorabl s l procso d adsorción al sr mayor qu 1. El qu mjor ajus a una lína rca, srá l qu dscriba l procso d adsorción. La propusa dl disño n bach s basó n un adsorbdor por apas (simpl apa, lujo cruzado y conracorrin), qu s uno d los méodos más mplados para la rmoción d mals psados. Para drminar la masa dl marial a uilizar para rmovr ions Pb 2+, prsns n una solución d concnración cial d,9 mol/l, n un volumn d 5 L y ijando un porcnaj d rmoción d 9 %, s mplo las xprsión qu a coninuación s musran para cada uno d los disño d adsorbdors: Mdian la xprsión 9 s drminó la concnración inal ( ) qu qudó n la solución al rminar l procso n cada uno d los adsorbdors (simpl apa, lujo cruzado y conracorrin). % R. Simpl apa Las xprsión 1 prmiió obnr la masa d marial a mplar para podr rmovr l 9 % d Pb 2+ prsn n la solución. ( s ) L ( Q Q ) (1) Adsorbdor a lujo cruzado Al nr un sisma d más d dos apas, s ncsario obnr la masa dl marial a mplar n cada una d las apas dl sisma. En la primra apa s alimna una canidad dada d adsorbn y lugo d un impo d conaco, s spara d la solución pasando ésa úlima a la siguin apa. Las xprsions 11, 12 y 13 prmiiron obnr la (9) 41

3 masa dl marial n cada apa y oal dl procso rspcivamn. L ( 1 s1 1 ( 2) Ls2( 1 Q 2 Q s ) L ( Q Q ) (11) ) (12) L L (13) s1 s2 Adsorbdor a lujo conracorrin Al nr más d dos apas, l marial s pon n conaco con la solución d Pb 2+ d concnración cial d,9 mol/l, d sa orma l maria s capaz d adsorbr soluo y la solución con una disminución d los ions Pb 2+, s pon n conaco con l adsorbn rsco, pudindo liminar l poco soluo qu s qudó n la solución. Esa masa d marial s drminó por la xprsión 14. ( 2 s 1 ) L ( Q Q ) (14) En cada uno d los disños s in qu s l volumn d rsidual a raar, la concnración inal d Pb 2+ n la solución dspués d habr puso n conaco l marial con la solución, L s s la masa dl soluo libr d adsorbn. III. RESULTADOS Y DISUSIONES En la igura 1 s musra la curva d calibración d Pb 2+, para l rango d concnración d mol/l. Figura 2: inéica d Pb 2+ n l minral. En la igura 3 y 4 s musran los rsulados para drminar la apa qu conroló l procso d adsorción dl ion. ln (1-F) y =,163x - 3,1723 R 2 =, Figura 3: Diusión dl soluo n la plícula líquida qu borda al marial. ln (1-F^2) -1 y =,99x - 2,7285 R 2 =, Figura 1: urva d calibración d Pb 2+, para l rango d concnración d mol/l. La curva d calibración s validó con solucions d rabajo razabls al Naional Insiu o Sandard and Tchnology (NIST), mplando dirns parámros sadísicos qu dmusran la srcha rlación qu xisió nr las variabls graicadas: (mol/l) y oons/sg., nr los qu s ncunran: oicin d corrlación. Inrvalo d conianza. Pruba d signiicación dl inrcpo y d la pndin. Lími d olrancia para la variabl dpndin y l conras d poncia para la hipósis nula. Dl sudio cinéico s pudo obsrvar qu a parir d los 3 min, la canidad adsorbida s manuvo consan, como s musra n la igura 2, s consiuyó l impo mínimo para drminar l impo d adsorción posriormn. Figura 4: Diusión a ravés d los poros dl marial. No s pudo drminar cuál u la apa dl mcanismo qu conroló l procso d adsorción porqu los dos sán inracuando simulánamn. En las iguras 5 y 6 s musra los rsulados qu prmiiron drminar l modlo cinéico para l procso n cusión. ln(q-q) -8-8,5-9 -9,5 y = -,887x - 7,5887 R 2 =, Figura 5: Gráico d 1 r Ordn. 42

4 /Q 3 y = x -,1 R 2 = 1 9E-4 logq 25 6E E Figura 6: Gráico d 2 do Ordn. La igura qu mjor dscribió una lína rca u l gráico qu corrspondió al modlo d 2 do ordn, ya qu l coicin d rgrsión linal u la unidad, xprsando sa la srcha rlación qu xisió nr las variabls graicadas (/Q y ). Al sr d sgundo ordn, s considró la adsorción como un procso dond paricipan odos los siios dl marial no solamn los acivos. En la igura 7 s musra la isorma xprimnal d adsorción dl ion n l rango d rabajo. Figura 9: Isorma d adsorción dl ion ajusada con l modlo d Frundlich. A parir d s rsulado s obuvo l valor d la capacidad d adsorción dl minral qu u 2, mmol/g y la innsidad d la adsorción d 1,96. omo s pud obsrvar la adsorción u posibl caalogarla como avorabl ya qu n rsuló sr mayor qu 1. Una vz conocida la capacidad d adsorción dl minral y l modlo qu prmiió l ajus s ralizó la propusa d disño. Adsorbdor simpl apa y=a+bx; A=27,88; B=1637,77 R=,99565; SD=,1; K=2,*1-3,1,1 log,6 Q(mol/g),5,4,3,2,1, (mol/l),,2,4,6,8 Figura 7: Isorma xprimnal d adsorción d Pb 2+ para l rango d concnración d mol/l. En las iguras 8 y 9, s musra la isorma xprimnal d adsorción ajusada con l modlo d Langmuir y d Frundlich rspcivamn, como s pud obsrvar l qu mjor linalizó la isorma u, l modlo d Frundlich. Figura 1: Disño d un adsorbdor por simpl apa. La masa dl marial qu s ncsia para rmovr los ions plomo n un rsidual u d 2 244,42 g. Para l caso d la propusa d disño d un adsorbdor para lujo cruzado la masa oal ncsaria u d 1 478,36 g (igura 11). 16 /Q (g/l) Figura 11: Disño d un adsorbdor a lujo cruzado. La propusa d adsorbdor a lujo a conracorrin rquirió una masa corrspondin a 986,6g d minral (igura 12) y=a+bx; A=27,88; B=1637,77 R=,96445; SD=13, (mol/l),,2,4,6,8 Figura 8: Isorma d adsorción dl ion ajusada con l modlo d Langmuir. Figura. 12: Disño d un adsorbdor a lujo cruzado. 43

5 Los rsulados d las masa ncsarias a uilizar n cada uno d los disños propusas s rsumn n la abla 1. D lo cual s inir qu l disño d adsorbdor a lujo a conracorrin ncsia mnos masa qu los oros dos disños. TABLA 1. MASA DE MATERIAL PARA EL DISEÑO A TEMPLA DE ADA UNO DE LOS ABSORBEDORES POR ETAPAS. Disño L s (g) Simpl apa 2 244,42 Flujo cruzado 1 478,36 Flujo conracorrin 986,6 Dsd un puno d visa conómico l disño dl adsorbdor a lujo a conracorrin, s más civo ya qu para rmovr los ions plomo prsns n una solución d concnración,9mol/l, s mpla mnos d la miad dl marial qu n l disño d simpl apa. I. ONLUSIONES 1. La isorma d adsorción s ajusó mjor mplando l modlo d Frundlich, sindo l procso d adsorción avorabl. 2. No xisió apa qu conrol l procso d adsorción porqu las dos analizadas saban inracuando simulánamn. 3. La cinéica qu dscribió l procso u d ordn El disño dl adsorbdor a lujo a conracorrin u l más civo dsd l puno d visa d ahorro d minral a uilizar porqu para rmovr la misma canidad d ions plomo rquir mnos canidad d adsorbn. REOMENDAIONES 1. Ralizar sudios uilizando oros marials adsorbns. 2. Ecuar sudios d procsos d adsorción, uilizando dirns raccions d s marial y valuar las capacidads d adsorción. 3. omprobar la cividad dl disño a mpla. REFERENIAS [1] HOLDING. B.. Mals psados, Lnnch Agua rsidual & puriicación dl air, 29. [2] Anónimo, Rmoción d hirro y manganso n uns d agua subrrána para abascimino público. [3] ELES H. Tramn o Mal-onaminad Wass: why Slc a Biological Procss, Trnds in Biochnology, 17, 1999, p [4] SANDHYA B. col. Low-cos Adsorbns or Havy Mals Upak rom onaminad war: a Rviw. 23. hp:// [5] YAUZ. Ö.; ALTUNKAYNAK. and GÜZEL. F., Rmoval o oppr, Nickl, obal and Mangans rom Aquous Soluion by Kaol, War Rsarch, 37, 23, p [6] ALKAN. M.; KALAY. B.; DOGAN. M. and DEMIRBAS. Ö. Rmoval o oppr Ions rom Aquous Soluions by Kaol and Bach Dsign, Journal o Hazardous Marials, 153, 28, p [7] TREYBAL ROBERT E. Opracions con Transrncia d Masa Tomo 2. 44