Larenas Uría, Christian

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Estudio Isotérmico de biosorción de plomo en aguas utilizando residuos vegetales

Repositorio Digital Universidad Politécnica Salesiana

1. IntroducciónExisten diversas fuentes de contaminación por plomo de aguas natu-rales, siendo la principal la descarga de efluentes industriales directamen-te a los ríos sin ningún tratamiento previo. Este problema se debe tanto alos altos costos como a la baja eficiencia de muchos de los métodos emple-ados para la remoción de los metales pesados. En la actualidad se ha des-arrollado una diversa gama de tecnologías que apuntan a ser soluciones abajo costo y ambientalmente amigables. Una de estas técnicas es la llama-da biosorción, en la cual se hace uso de materia orgánica -viva, muerta oinmovilizada- para la remoción de metales pesados y su posterior recupe-ración (Sánchez et al., 2008).El presente trabajo tiene por objeto evaluar la capacidad de biosor-ción, mediante un estudio isotérmico (Gutiérrez et al., 2008) de materialprocedente de hojas de césped cortado tomando en consideración criterioscomo el pH y el tiempo de contacto entre el biosorbente y el contaminan-te. Se espera que a través de un proceso controlado de hidrólisis, la estruc-1Estudio Isotérmico de biosorción de plomoen aguas utilizando residuos vegetalesLarenas Uría Christian1, Andrango Daniel2, Inga Pablo21 Director del Proyecto de investigación, Director de la Carrera de Ingeniería Ambiental de laUniversidad Politécica Salesiana2 Estudiantes de la Carrera de Biotecnología de los Recursos Naturales de la UniversidadPolitécnica Salesiana.tura celulósica del material presente una gran cantidad de sitios activospara la adsorción o retención de iones Pb2+ en solución.2. Materiales y Métodos2.1 ReactivosSe utilizaron únicamente reactivos de grado analítico. Las solucionesde Pb2+ fueron preparadas a partir de una solución estándar certificada de1.000 ppm de Pb2+. Para el ajuste del pH se prepararon soluciones bufferasí como soluciones de NaOH y HNO3 0,1 M.2.2 Obtención del BiosorbenteSe utilizó una mezcla al azar de muestras de césped cortado. La mez-cla se secó a 40ºC en estufa durante 15 días. La muestra fue molida y tami-zada, luego de lo cual se hidrolizó secuencialmente con soluciones deH2SO4 y Na OH mediante reflujo durante 4 horas. El material obtenido sedesecó a 60º C durante 3 días.2.3 Efecto del pHEn vasos de precipitación se colocó 50 ml de solución de 1,0 ppmPb2+. Se ajustó el pH de las soluciones a 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 y 8,0 y a cadauna se le agregó 0,1 g de biosorbente. Las soluciones se agitaron a 200 rpmdurante 2 horas luego fueron filtradas, utilizándose la solución resultantepara determinar la capacidad de biosorción de plomo en función del pH.2.4 Cinéticas de BiosorciónLa cinética de biosorción se determinó colocando en vasos de preci-pitación 50 ml soluciones de 50, 70, 100, 500 y 1.000 ppm de Pb2+. A cadasolución se agregó 0,1 g de biosorbente y se ajustó el pH a 6,0. Las solucio-nes se mantuvieron en agitación a 200 rpm durante 1, 5, 10, 15, 30, 60, 90y 120 minutos. Cumplidos los tiempos respectivos las soluciones fueronInvestigación, ciencia y tecnología10filtradas y el resultante fue analizado para determinar la concentración delmetal.2.5 Isotermas de BiosorciónPara este estudio se consideró la utilización de dos modelos isotér-micos: Langmuir y Freundlich. En cada caso la metodología consistió encolocar en vasos de precipitación 50 ml de soluciones de Pb2+ de 50, 500,700, 1.000 y 2.000 ppm. A cada solución se agregó 0,1 g de biosorbente, seajustó el pH a 6,0 y se mantuvo en agitación a 200 rpm durante 30 minu-tos. Posteriormente, las soluciones fueron filtradas y la solución resultantese utilizó para evaluar la capacidad máxima de retención (qmáx) de plomo.Los cálculos se realizaron tomando en cuenta las siguientes relacio-nes:Donde q = Tasa de biosorción de Pb2+ (mg de plomo por gramo debiosorbente)Ci = Concentración inicial de Pb2+ en solución (mg/l)Ce = Concentración final de Pb2+(en equilibrio) en solución (mg/l)Xo = Cantidad de biosorbente agregada (g)V = Volumen de solución (l)Para la isoterma de Langmuir se linealizó la ecuación graficando1/q vs. 1/Ce, obteniéndose la siguiente relación:Investigación, ciencia y tecnología11Donde:qmáx = Tasa máxima de retención de plomo (mg de plomo/g bio-sorbente)b = constante relacionada con la afinidad del biosorbente porlos iones Pb2+Pudiendo evaluarse la isoterma de Langmuir a partir de un factoradimensional RL, así:Donde los valores de RL indican:RL = 0 Sistema isotérmico irreversible.0 < RL <1 Sistema isotérmico favorable, siendo R = 1 lineal RL > 1 desfavorable.Para la isoterma de Freundlich la ecuación usada fue:Donde:n = Constante relacionada con la intensidad de sorción del bio-sorbente en función de su grado de heterogeneidad.K = constante de Freundlich relacionada a la capacidad de sor-ción del biosorbente2.6 Análisis de las muestrasEl plomo contenido en todas las muestras se analizó mediante la téc-nica de Absorción Atómica utilizando un equipo Varian 20 trabajando aInvestigación, ciencia y tecnología12dos longitudes de onda. Para las soluciones de 1,0 a 50 ppm se realizó lasmediciones a 283,3 nm y para las soluciones de 50 a 2.000 ppm a 205,3 nm.3. Resultados3.1 Efecto del pHDe acuerdo a lo observado en la Figura 1 el pH óptimo para la bio-sorción de plomo es igual a 6,0. En los valores superiores e inferiores a estepH se aprecia una disminución progresiva de la biosorción; en valoressuperiores a pH 8 el Pb2+ en solución empieza a precipitar como Pb(OH)2y por tanto existe menos plomo disponible para ser retenido por el biosor-bente. En valores de pH por debajo de 4 existe una competencia por lossitios activos del biosorbente entre los iones Pb2+ y los iones H+.3.2 Cinéticas de BiosorciónLos resultados obtenidos de acuerdo a la figura 2 denotan que lamáxima biosorción de Pb2+ se produce entre los 15 y 30 minutos; sinInvestigación, ciencia y tecnología1301020304050607080901000 2 4 6 8 10pH% Retención PbFigura 1. Efecto del pH sobre la Biosorción de Pb2+.Figura 1. Efecto del pH sobre la Biosorción de Pb2+embargo, para soluciones más diluidas (hasta 100 ppm) el valor máximode biosorción se produce a los 5 minutos. Esto representa una saturaciónprogresiva del biosorbente; es decir, que el Pb2+ se une más débilmente ala superficie del biosorbente a medida que este se va saturando.3.3 Isotermas de BiosorciónLos resultados de acuerdo al modelo de Langmuir presentados en lafigura 3 nos permiten calcular la ordenada al origen 1/qmáx y la pendien-te 1/b*qmáx con lo cual qmáx resultante es igual a 182 mg de Pb/g biosor-bente.El análisis de los valores de RL denota un comportamiento isotérmi-co favorable (0 < RL < 1).Investigación, ciencia y tecnología1401020304050600 50 100 150 200 250 300Tiempo (min)Retención Pb1000 500 100 70 50 Figura 2. Cinética de Biosorción de Pb2+Figura 2. Cinética de Biosorción de Pb2+Tabla 1. Resultados de biosorción de Pb2+Para el modelo de Freundlich la ecuación (4) se presenta en la Figura4 permitiendo calcular K = 2,76 y n = 1,64; demostrándose por tanto unaafinidad significativa del biosorbente por el Pb2+ (n>1) así como una fuer-za de adsorción intensa del metal por la matriz de adsorción.Investigación, ciencia y tecnología15y = 1.0366x + 0.0055R2 = 0.996900.010.020.030.040.050.060.07-0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.061/Ce1/ qFigura 3.  Isoterma de LangmuirFigura 3. Isoterma de LangmuirCi Ce q RL[ppm] [ppm] [mg/g]1 0,1 0,09641807 - 0,99472225 0,3 0,28894775 0,9741565610 1,2 1,15030675 0,9496152450 18,1 15,930995 0,79033242500 313 113,48392 0,27375482700 458 128,81089 0,212131131000 702 143,335511 0,158583972000 1528 161,854119 0,08612067Ambos modelos presentan coeficientes de correlación (R2) muy cer-canos a la unidad, por tanto el comportamiento isotérmico de sorción delbiosorbente puede evaluarse adecuadamente por cualquiera de ellos.4. DiscusiónEl biosorbente desarrollado presenta un comportamiento óptimopara la sorción del Pb2+ cuando el pH de la solución es igual a 6,0; sinembargo, con valores cercanos hasta pH = 5 la tasa de retención del metales todavía significativa.La cinética de biosorción indica que para soluciones de hasta 100ppm de Pb2+ la cantidad máxima retenida de metal se produce a los cincominutos desde que se pone en contacto al biosorbente con la solución; enInvestigación, ciencia y tecnología16y = 0.6106x + 0.4408R2 = 0.999300.511.522.530 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5log Celog qFigura 4. Isoterma de FreundlichFigura 4. Isoterma de Freundlichconcentraciones superiores a 500 ppm el tiempo óptimo está comprendi-do entre 15 y 30 minutos.Tanto el modelo de Langmuir como el de Freundlich se ajustan ide-almente para describir las isotermas de biosorción del sistema (R2 = 0,99).Sin embargo el sistema de Langmuir linealizado en función de Ce presen-ta menor linealidad (R2 = 0,90) pero un mayor valor de qmáx. (qmáx = 333mg Pb/g). Por otra parte al obtener las ecuaciones de regresión tomandocomo referencia datos exclusivamente de alta concentración, a partir de500 ppm, qmáx aumenta hasta un valor de 360/mg de Pb/g biosorbente.Otros estudios (Edgar Millán-Carbajal et al.; Gutiérrez et al.) men-cionan como excelentes alternativas a materiales cuyos qmáx van desdeaproximadamente 3 hasta 500 mg Pb2+/g de biosorbente, por tanto el cés-ped hidrolizado, utilizado como biosorbente, representa una muy buenaalternativa dado su bajo costo y facilidad de procesamiento, además seaprovecha de un producto habitualmente considerado como desecho.Es importante resaltar la necesidad de continuar con estudios quepermitan evaluar otras variables como la capacidad de desorción del mate-rial con objeto de evaluar su posible reutilización, así como probar la efi-ciencia de esta matriz en la remoción de otros metales contaminantescomo cadmio, zinc, níquel, mercurio y cromo hexavalente.5. Agradecimiento Los autores agradecen a la Universidad Politécnica Salesiana por elfinanciamiento a este trabajo a través del proyecto “Obtención de un bio-sorbente por modificación química o física de residuos vegetales”, así comoa todas las personas que directa o indirectamente contribuyeron a abrir losespacios físicos, espirituales y mentales para la realización del mismo.Investigación, ciencia y tecnología17BibliografíaGUTIÉRREZ, Miguel A.González, Leandro; Sánchez, Enrique; Mellado, Doris: Biosorcion de Pb2+ porbiomasa de Saccharomyces cerevisiae. http://www.femisca.org/publicaciones/XIcongreso/XICNIS089.pdfSÁNCHEZ, Edna Lilian; Garza González, Mª teresa; Almaguer, Cantú Verónica; SáenzTavera, Isabel; Liñán Montes, AdrianaEstudio cinético e isotermas de adsorción de Ni (II) y Zn (II) utilizando biomasadel alga Chlorella sp. Inmovilizada. http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=2565693SAIFUDDIN, N.; Raziah, A.Z.Remoal of Heavy Metals from Industrial Effluent Using SaccharomycesCerevisiae(Baker’s Yeast) Immobilised in Chitosan/lignosulphonate Matrix.Investigación, ciencia y tecnología18

http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/10870/1/1%20Estudio%20Isotermico%20de%20absorcion%20de%20plomo%20en%20aguas%20utilizando%20residuos%20vegetales.pdf

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