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Introducción
En las últimas décadas es motivo de preocupación que los recursos acuáticos corran un mayor riesgo de contaminación por contaminantes como los derivados de hidrocarburos, los desechos orgánicos y los metales pesados [1]. El desalojo de metales pesados de las industrias y las zonas urbanas aumenta constantemente y causa daños al medio ambiente y a la salud humana [2]. Los contaminantes inorgánicos se introducen diariamente en el medio ambiente a causa de actividades naturales como el vulcanismo, la erosión del lecho rocoso, el transporte atmosférico y la liberación por plantas y acciones antrópicas, debido a la industrialización, la actividad de exploración y la gestión de residuos [3], [4].
Entre los principales metales contaminantes en el suelo y el agua se encuentran el cadmio (Cd) y el plomo (Pb). El cadmio es uno de los elementos más tóxicos para el medio ambiente y la salud humana [5]. En medio acuoso, el cadmio ocurre comúnmente como el ion Cd (II), el cual es movilizado en condiciones ácidas. Las directrices de la Organización Mundial de la Salud (OMS) para la calidad del agua potable restringen las dosis altas de cadmio como un valor de referencia de 3 µg/L de Cd; las dosis altas de cadmio se asocian con trastornos del metabolismo de la glucosa, cáncer de mama y pulmón, infarto cerebral e insuficiencia cardíaca [6], [7].
Entre los metales pesados, los iones metálicos Pb (II) se consideran uno de los más altamente tóxicos para el medio ambiente y los humanos, porque estos iones no se biodegradan y se acumulan en los ecosistemas [8], [9]. Múltiples fuentes pueden proporcionar liberación de Pb en el medio ambiente, como gasolina con plomo, pinturas, baterías, cerámica y desechos electrónicos destacados, que son fuentes de contaminación ambiental potencial [10]. La OMS tiene como valor de referencia para el plomo en el agua potable 10 µg/L [11]. Las dosis continuas de plomo pueden causar presión arterial sistólica en adultos e impactos en el aprendizaje de los niños [12], enfermedades cardiovasculares y provocar la muerte [13].
En vista de los impactos sobre el medio ambiente y la salud humana, varias investigaciones han vuelto a estudiar tecnologías para la adsorción de plomo y cadmio, principalmente sus iones 2+, porque son la forma más encontrada en los recursos hídricos y el suelo. Algunos estudios reportan la actividad adsorbente del carbón activado de Cocos nucifera contra iones 2+ de Pb, Cd, Ni, Mg y otros iones metálicos, libremente formados o asociados con conjuntos microbianos y ácidos orgánicos [14]-[16].
Además de las características del adsorbente elegido, factores como el tipo de adsorción, los niveles de concentración de contaminantes, la dosis del adsorbente, el pH, la temperatura y otras características fisicoquímicas pueden interferir con el proceso de adsorción de iones metálicos. Visualizando la complejidad de las tecnologías de adsorción y el daño causado por los iones Cd (II) y Pb (II), el presente estudio tiene como objetivo describir nuevas tecnologías adsorbentes y factores que pueden ayudar o dificultar la adsorción de estos iones, mediante un estudio bibliográfico sobre bases de trabajo relevantes dentro del tema en la última década.
Materiales y métodos
Para llevar a cabo el estudio, se optó por realizar una revisión bibliográfica relacionada con las tecnologías descritas en la literatura con potencial de adsorción frente a iones Cd (II) y Pb (II), con el fin de recopilar información relevante, como capacidad, tiempo, curva de adsorción y aspectos fisicoquímicos que pueden influir en el proceso de adsorción. Al llevar a cabo la revisión, se abordaron los procedimientos y normas de Prisma (Preferred Reportíng Items for Systematíc Revíews and Meta-Analyses).
Procedimiento de búsqueda de artículos
Las bases de datos se utilizaron para buscar artículos de fuentes de investigación primarias, incluyendo Scopus, Web of Science, CAB, ScienceDirect e Engineering Village, y se accedió a las bases de datos a través del Portal de Periódicos Capes - MEC (Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Educación Superior, una agencia vinculada al Ministerio de Educación de Brasil). Se analizaron artículos publicados en los últimos 10 años (2013-2023); con el objetivo de integrar la revisión, la elección del período sirve como instrumento para analizar las tecnologías más recientes aplicadas a la adsorción de iones Cd (II) y Pb (II) en aguas superficiales y efluentes industriales. Para la búsqueda en las fuentes de investigación se utilizaron los términos "Tecnologías de adsorción", "Cd (II)", "Pb (II)", "Adsorción iónica", "Medios de influencia" y "Adsorción de Cd (II) y Pb (II)", junto con los operadores boleanos AND y OR; los términos fueron buscados en portugués, inglés y español.
Análisis de estudios
Los resultados obtenidos en las bases de datos tuvieron su RIS (Reference Manager) exportado y añadido al software libre Rayyan (https://www. ryyan.ai/) [17]; para la selección de artículos dentro del tema del estudio propuesto y la eliminación de duplicados, en caso de estudios duplicados, se dio preferencia a la inclusión del estudio encontrado por el primero, independientemente de la base de datos indexada. Se incluyeron estudios disponibles en su totalidad, dentro del tema de interés, en cualquier idioma. Se excluyeron los estudios incompletos, como el tema de investigación, tesis, disertaciones, monografías, libros y capítulos de libros, carta al editor y resúmenes de eventos.
Los principales resultados obtenidos con el análisis de los artículos fueron dispuestos en una hoja de cálculo de Microsoft Excel para ser utilizados en la preparación del estudio. A fin de seleccionar los artículos que incluyen la revisión, inicialmente se excluyeron los estudios fuera del marco temporal; después de eliminar los duplicados en el software Rayyan, los estudios fueron seleccionados por medio de la lectura de resúmenes y palabras clave, luego de ser seleccionados nuevamente mediante la lectura completa, lo que resultó en la selección de los artículos que forman parte de la versión final de la revisión. Para la proyección de fórmulas y estructuras químicas, se utilizó el software ChemDraw 17.0.
Resultados y discusión
En total se encontraron 1172 artículos, 612 en Scopus, 104 en Web of Science, 91 en CAB, 348 en ScienceDirect y 17 en Engineering Village; 831 artículos fueron excluidos porque no estaban en el marco de tiempo descrito para el estudio; 341 artículos pasaron para análisis y lectura duplicados. Usando el software Rayyan, se excluyeron 167 artículos porque estaban duplicados; la tasa de duplicación es alta debido a que las bases de datos Scopus y ScienceDirect son administradas por Elsevier y ambas agregan algunas de las mismas revistas del editor. Se leyeron a fondo los títulos, resúmenes y palabras clave de 174 estudios, y se excluyeron 111 artículos porque no estaban dentro del tema, porque informaban métodos de adsorción mecánica o porque trabajaban con otros iones que no son objeto del presente estudio. Se leyeron 63 artículos completos y se seleccionaron 9 artículos para componer la revisión final, gracias a que estaban dentro de todos los criterios de inclusión propuestos. La base de datos Scopus tuvo la mayor cantidad de artículos incluidos en la versión final de la revisión, con 4 artículos, seguida de ScienceDirect con 3, CAB con 1 y Web of Science con 1. En Engineering Village no se seleccionaron artículos.
Con el análisis de los estudios encontrados en las bases de datos, se identificaron aspectos de los principales materiales adsorbentes y se dispusieron para la Tabla 1.
Tabla 1 Materiales adsorbentes más citados y factores de influencia.
| Autor, año | Iones | Material adsorbente y dosaje | Factores influyentes | Matriz acuosa | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|
| Todorava et al, 2019 | Cd (II) y Pb (II) | Bacillus cereus (2 g/L) | pH, temperatura y dosificación | Aguas superficiales | [18] |
| Park et al, 2019 | Cd (II) y Pb (II) | Posos de café (0,1 g/L) | pH | Efluentes industriales | [19] |
| Mathivaran et al, 2021 | Cd (II) y Pb (II) | Bacillus cereus (25 mg/L) | pH y dosificación de adsorbentes | Aguas superficiales | [20] |
| Igberase et al, 2020 | Cd (II) y Pb (II) | Quitosano (3,9 mmol/L) | Concentración inicial y velocidad de agitación | Aguas superficiales | [21] |
| Mohapatra et al., 2019 | Cd (II) y Pb (II) | Posos de café (1 g/L) | Tiempo de inmersión, fuerza iónica y pH | Efluentes industriales | [22] |
| Akhtar et al, 2022 | Cd (II) y Pb (II) | Bacillus cereus (10 mg/L) | Concentración de solución y pH | Aguas superficiales | [23] |
| Quiroga-Flores et al., 2020 | Cd (II) | Nanotubos de silicato-titanato en gránulos de quitosano (0,56 mg/L) | pH | Aguas superficiales | [24] |
| Zhang et al., 2022 | Cd (II) y Pb (II) | Quitosano/relaves amino oro (20 mg/L) | Dosis de adsorbente, tiempo de contacto | Aguas superficiales | [25] |
| Chwastowski et al, 2020 | Cd (II) y Pb (II) | Posos de café (0,5 g/L) | pH, dosis de adsorbente y tiempo de contacto | Aguas superficiales | [26] |
Adsorción de iones Pb (II) y Cd (II) utilizando productos naturales
La literatura retrata diferentes especies vegetales con actividad adsorbente para iones Pb (II) y Cd (II), como para otros iones; se demostró la acción adsorbente del polvo foliar, cáscaras, raíces y tallo frente a iones metálicos en medio acuoso, así como la biomasa de diversas plantas, algas y microalgas, con la aplicación en diferentes medios, como la fitorremediación.
Varios estudios reportan la acción adsorbente de varias plantas y sus diferentes partes contra iones Pb (II) y Cd (II); se identificó la acción adsorbente de cáscaras de papa (Solanum tuberosum) [ 27], hojas de espino de Cristo (Ziziphus spina-christi) [ 28], cáscaras de rambutón (Nephelium lappaceum Linn.), maracuyá (Passiflora laurifolia Linn.), pitaya (Hylocercus costarícensís) [ 29], biomasa de phytolaca (Phytolacca amerícana Linn.) [30], entre otras varias especies vegetales.
Al-Onazi et al. [ 31] verificaron la acción de iones de adsorción de Cd (II) y Pb (II) con el uso de carbón activado de cáscaras de Puníca granatum (granada) y cáscaras de Phoeníx dactylífera (dátil). Las cáscaras fueron molidas y tamizadas para obtener polvo fino con un promedio de <120 //m, para la activación H3PO4 y ZnCl2 en una proporción de 1:1 durante 24 h. A fin de calcular la adsorción de Cd (II) y Pb (II), evaluaron en un rango de pH de 2,5 - 7 con 100 mg/L de concentración de metal, tiempo de contacto de 90 min y dosis de adsorbente de 0,5 g/L para granada y 1 g/L para dátil. Los resultados demuestran la capacidad de adsorción de los carbones evaluados; la tasa máxima de eliminación para Pb (II) fue del 91,1% para el carbón activado de granada (CAR) y del 88,8% para el carbón activado con dátil (CAT) a pH 6. La tasa máxima de eliminación para Cd (II) fue del 92,5% para CAR y del 87,3% para CAT a pH 6,5. Debido al proceso de protonación y la formación de óxidos hidratados protonados, las dosis de adsorbente son ineficientes en soluciones de pH bajo (1,3).
Un estudio demostró que el uso del macrófito Potamogeton malaianus permite obtener altos resultados en la adsorción de cadmio y plomo en agua; por medio de la fitorremediación, la adsorción se produce rápidamente (2 h) y logra un equilibrio dinámico en menos de 72 h. La adsorción media para los iones Pb (II) y Cd (II) es del 94%, con una capacidad de adsorción en equilibrio de 6,29-6,97 mg/kg. El estudio también reveló que los iones metálicos se concentran en hojas (12,44-38,15 mg/kg) y raíces (10,32-26,10 mg/kg); la espectroscopia infrarroja muestra que la acción C = N puede estar involucrada en la capacidad de adsorción de la especie [32].
El uso de carbón activado de cáscaras de melón (Cucumis melo) con un tamaño entre 75 y 125 µm actúa como material absorbente de iones Cd (II) y Pb (II), así como Cr (IV) y Ni (II). Todas las pruebas fueron a la concentración de 250 mg de adsorbente en 100 mL de solución acuosa a concentraciones iniciales (100, 200, 300, 400 mg/L). Las curvas de adsorción mostraron que la concentración de 100 mg/L es la más eficiente en la eliminación de iones Pb (II) y Cd (II) en todos los períodos evaluados (40, 80, 120, 160, 200 min); para ambos iones fue posible la adsorción de 100 mg después de 200 min [33]. Otro estudio que utilizó carbón activado de cáscaras de melón también retrató la actividad adsorbente contra los iones de plomo. La tasa de adsorción alcanza el 94,88% para los iones Pb (II), mientras que la isoterma de adsorción ajustada al modelo de Langmuir alcanzó 0,0830 mg/g. La espectroscopia de energía dispersiva de rayos X (EDX) relaciona el intercambio iónico y la microprecipitación como los principales mecanismos relacionados con la adsorción [34].
La optimización de la adsorción de iones pb (II) y Cd (II) con el uso de carbón activado de vainas de Acacia senegal en solución ternaria acuosa es un método viable. La actividad adsorbente puede estar relacionada con la presencia de grupos funcionales -OH y - C = C -, que fueron identificados por espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, además de la diversidad de tamaños de poro de carbón, identificados con la ayuda de microscopía electrónica de transmisión. El carbón activado con H3PO4 mostró una tasa de adsorción de 98,54 y 99,96% para Cd y Pb, respectivamente, a una concentración de 145,06 y 63,83 mg/L, y un tiempo de contacto de 8 min [35].
Investigadores describen que la biomasa de múltiples especies actúa como material adsorbente. Phaenark et al. [ 36] informan que el bagazo de caña de azúcar y la pluma de maíz tienen acción adsorbente para los iones Pb (II) y Cd (II) en agua contaminada; sufren influencia directa del pH y la dosificación en la eficiencia de eliminación. Con el aumento de la dosis de Pb (II) y Cd (II) la eliminación también aumentó, en relación con el pH, las soluciones de Pb (II) con pH 7, y presentan menores tasas de adsorción con un pH óptimo entre 5 y 6, con una tasa de hasta el 98%; para soluciones de Cd (II) el pH no muestra influencia en la curva de adsorción.
Adsorción iónica Pb (II) y Cd (II) con hongos y bacterias
Investigadores visualizan en bacterias y hongos nuevas tecnologías para la biorremediación de diversos compuestos contaminantes del medio ambiente. El uso de bacterias y hongos ya es conocido en la biorremediación de metales pesados y otros productos químicos en el suelo. En el caso de la adsorción de iones metálicos en soluciones acuosas, se vio en la literatura que el género Bacillus sp. es ampliamente estudiado como tecnología adsorbente.
Wang y Sun [37] estudiaron la capacidad adsorbente de una especie mutante de Bacillus subtilis (B38), que en una investigación anterior ya había presentado una resistencia cuatro veces mayor que la de las soluciones de cadmio [38]. Los estudios de Wang y Sun utilizaron concentraciones de 56 mg/L de Cd y 104 mg/L de Pb, preparadas con agua destilada y concentración de 5 x 109 células/mL, 2-100 mL/L de material adsorbente, en un rango de pH 3 a 9. Bacillus subtilis (B38) tiene afinidad por los iones metálicos catiónicos y presenta tasas de sorción de equilibrio de 210,6 y 420,9 mg/g para Cd (II) y Pb (II), respectivamente, lo que muestra a la especie mutante como un biosorbente prometedor.
Otra especie del género Bacillus sp. también mostró buenos resultados en la adsorción de Cd (II). En labiomasa muerta de Bacillus laterosporus (MTCC 1628), la capacidad máxima de adsorción se midió a partir del modelo de Langmuir, definido por la ec. (1):
C 0 es la concentración inicial de vehículos metálicos (mg/L) y b la constante de Langmuir (mg/L). Las isotermas de adsorción muestran la eficiencia a todas las temperaturas evaluadas para la adsorción de Cd (II), por biomasa de B. laterosporus, con tasas de 84,03, 85,47 y 86,20 mg/g, a 20, 30 y 40 °C, respectivamente. Los resultados revelan que el aumento de la temperatura influye en la adsorción de cadmio por la biomasa de B. laterosforo [ 39].
La aplicación de bacterias mutantes o recombinantes ha sido un campo de estudio para la adsorción de iones metálicos. Jia et al. [ 40] utilizaron la especie bacteriana gramnegativa Rhodopseudomonas palustres recombinante. El plásmido pSCMT (Kana) se utilizó para la expresión de metalotioneína (MT) llamada ShMT, originada del cangrejo de agua dulce Sinopotamon honanens. Mediante electroporación del plásmido se obtuvo R. palustris/pSCMT recombinante. R. palustris/pSCMT alcanzó el balance de biosorción después de 30 min; luego de alcanzar el equilibrio los niveles permanecieron estables. R. palustris/pSCMT mostró una capacidad máxima de adsorción de 225,19 mg/g para Cd (II); comparando las tasas de adsorción de R. palustris/pSCMT y la de R. palustris salvaje, se observa que la cepa recombinante es más eficiente, ya que la cepa salvaje mostró una capacidad máxima de adsorción para iones cadmio de 147,48 mg/g.
Los hongos también han sido una alternativa para la adsorción de iones metálicos en el agua y el suelo. Las especies fúngicas se utilizan de forma recombinante, junto con una biomasa o de forma aislada. Varios hongos demostraron ser viables en la adsorción de iones Pb y Cd; entre ellos se encuentran Aspergillus flavus (TISTR 3637), Aspergillus gracilis (TISTR 3638), Aspergillus penicillioides (sp. 1) (TISTR 3639), Aspergillus penicillioides (sp. 2) (TISTR 3640), Aspergillus restricted (3641) y Sterigmatomyces halophilus (TISTRA 5926), con tasas de eliminación entre el 50 y el 93% para los iones de cadmio y entre el 40 y el 87% para los iones de plomo [41].
La especie Trametes pubescens (MB 89) probó la adsorción de iones metálicos de cadmio; las esporas se inocularon inicialmente en solución tampón de citrato de fosfato al 20%, pH 4,5 y resistencia al cadmio investigada a través del crecimiento radial en medio de agar dextrosa de papa. Las pruebas de adsorción se realizaron en Erlenmeyer de 250 mL llenos con 100 mL de medio líquido y diferentes concentraciones de Cd (II) (0, 5, 10, 50 y 100 mg/L). Para calcular las tasas de adsorción de Cd (II) se utilizó la ecuación de Xu et al. [ 42], Ec. (2):
qe es la adsorción de Cd (mg Cd/kg biomasa); V es el valor de la solución metálica en mL; Ci y Ce son las concentraciones iniciales y de equilibrio de cadmio en la solución, en mg/L; y W el peso del micelio seco en g. La eliminación de Cd por T. pubescens en solución acuosa viable, a una concentración de 100 mg/L de adsorción, fue de 6,565 mg/g, la más alta reportada en el estudio. La tasa máxima de adsorción fue del 53,13%, para la concentración inicial de 10 mg/L de Cd [43].
La especie fúngico-macroscópica Pleurotus ostreatus, probada por Kocaoba y Arisoy [44] contra iones metálicos de plomo y cadmio, fue una de las variedades fúngicas que mostró acción adsorbente. En soluciones de 2,5 - 25 ¡g de Cd (II) y Pb (II) en 100 mL, se evaluó la actividad adsorbente de la biomasa de P. ostreatus en una columna de corriente descendente. En la menor cantidad de material adsorbente (0,1 g) ya ha presentado recuperación de ambos iones por encima del 80%, con el aumento de la cantidad de adsorbente, consiguiendo un equilibrio en la dosis de 0,3 g con una tasa de recuperación del 100%.
Adsorción por nanocompuestos químicos y asociados
Los nanocompuestos son estructuras en las que al menos una partícula tiene un tamaño nanométrico. Su uso ha sido generalizado porque tiene una mayor eficiencia en comparación con los materiales compuestos. La literatura describe nanocompuestos de Fe3O4/MnO2 [45], quitosano con ácido polimetacrílico reticulado y nanotubo de haloisita (Cs-PMA/HNT) [46], nanocompuestos híbridos de hidroxifosfato e hidroxisulfato férrico asociados con el hongo Aspergillus niger (n-HFP + n-HFS)@An) [47], como algunos entre la diversidad de nanocompuestos que pueden actuar como material adsorbente de iones Cd (II) y Pb (II).
Un nanocompuesto superparamagnético basado en el poli (N-vinilpirrolida-co-anhídrido maleico) enrejado (PNVPMA) en reacción con ácido 3-aminobenzoico se identificó como un agente modificador de reticulación. A través de un sistema discontinuo, se probó la capacidad de adsorción del nuevo nanocompuesto contra Pb (II) y Cd (II), y se observó la influencia de múltiples factores en la adsorción, incluido el pH de la solución y la dosificación del nanocompuesto. Los resultados de las isotermas de adsorción son similares a las isotermas de adsorción de Langmuir; el nanocompuesto presentó una capacidad máxima de adsorción de 312,5 y 32,78 mg/g para iones de plomo y cadmio, respectivamente [48].
Nanocompuesto LH-MH a base de Polyphepan (lignina hidrolítica conífera comercial) y solución de hidróxido de sodio obtenida por agitación magnética fue evaluado por Ponomarev et al. [ 49] como material adsorbente, en soluciones madre catiónicas de concentración de 0,1 mol/L y 2 g/L de solución de Cd y Pb, respectivamente a pH 6,5. La capacidad de adsorción (qexp) fue determinada por la ec. (3): v
Ci es la concentración inicial de cationes (mmol/L), Ce la concentración de cationes después de la eliminación (mmol/L), m la masa del material granular (mg) y V el volumen de la solución (mL). El pH interfiere activamente en la adsorción de plomo y cadmio; debido a la interacción electrostática del pH por debajo de 6,7 para lignina y 10,6 para LH-MH, favorece la adsorción de iones metálicos. LH-MH muestra mayor capacidad de adsorción para iones Pb (II), con una tasa de adsorción de 1,24 mmol/g, atribuida a su menor hidratación, que ayuda en la fijación en la superficie. Para los iones Cd (II), LH-MH mostró una tasa menor de 0,94 mmol/g.
El polisacárido de quitosano (Figura 1) es uno de los compuestos más identificados para la preparación de material adsorbente de iones Cd y Pb. Se preparó y evaluó un nuevo nanocompuesto basado en quitosano, llamado Gd/SrFe@SBCs, mediante microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FE-SEM), espectro dispersivo de energía de rayos X (EDS) y espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) y, posteriormente, se evaluó la capacidad de adsorción. El estudio relaciona la capacidad de adsorción con la estructura química del quitosano, lo que facilita la captura de iones metálicos; debido a su estructura permiten la porosidad del elemento, visualizado en microscopía electrónica de barrido, que puede fijar los iones metálicos y eliminarlos de la superficie acuosa.
Gd/SrFe@SBCs ensayado en la adsorción de Iones Pb (II) y Cd (II) en solución acuosa presentó eficiencia del 98% para ion Pb (II) y del 78% para ion Cd (II); en las mejores condiciones la capacidad máxima de adsorción alcanza valores de 146,2 y 183,7 mg/g para Pb (II) y Cd (II), respectivamente [50].
Conclusiones
Con el análisis de los artículos que componen el estudio fue posible observar una diversidad de nuevos compuestos que se utilizan como materia adsorbente de iones Pb (II) y Cd (II). Los estudios dentro de este tema son relevantes para discutir e investigar nuevas tecnologías para el tratamiento de suelos y aguas contaminadas con metales pesados. Diferentes estudios informan de la posible capacidad adsorbente de estos materiales frente a otros iones metálicos, como níquel, manganeso, zinc y aluminio. Deberían realizarse más estudios para reforzar el tema y buscar nuevas tecnologías alternativas para la adsorción de iones de plomo y cadmio.
Las altas tasas de adsorción de plomo y cadmio en aguas superficiales y efluentes industriales, como las de Acacia senegal (98,54 y 99,96% para Cd y Pb), granada (91,1 y 92,5% para Cd y Pb) y dátil (88,8 y 87,3% para Cd y Pb), demuestran que la biomasa vegetal puede ser utilizada como alternativa en la eliminación de iones de plomo y cadmio.
Este artículo contribuye a la profundización y desarrollo de nuevas reflexiones sobre la adsorción de iones 2+ de plomo y cadmio, con el fin de proporcionar una base bibliográfica de apoyo científico para otros estudios dentro del área.
