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1 Introducción
El agua es fuente de vida para los humanos y su subsistencia, a pesar de que en muchas partes del mundo se ha dejado en segundo lugar la calidad de este elemento en relación con la necesidad de su disposición. Esto ha hecho que se tenga que usar fuentes que presentan algún grado de contaminación por compuestos no perceptibles, pero que a largo plazo son perjudiciales para la salud. Ese es el caso de las comunidades aledañas al volcán Azufral en Nariño, las cuales se surten de agua procedente de fuentes geológicas que conllevan una carga mineral y de derivados azufrados como los sulfatos (SO4⁻). Estos compuestos han sido asociadas con enfermedades gastrointestinales, úlceras estomacales e incluso como factor en el inicio de enfermedades en todo el cuerpo 1. Sin embargo, la baja concentración de estos compuestos en el agua es difícilmente removida por mecanismos tradicionales de filtración e imperceptible por los sentidos humanos, pero que a largo plazo generan un efecto nocivo en la salud. En este tipo de situaciones se ha implementado métodos de eliminación de contaminantes fisicoquímicos, biológicos y orgánicos que pueden adsorberlos 2 , 3, pero al considerar que estos nanocompuestos o compuestos solubles en agua están en baja proporción, se presenta un problema en la elección de métodos que relacionan directamente su eficiencia con el costo de su implementación, uso y renovación 4 , 5. Es en este punto donde la cáscara de huevo se presenta como una alternativa potencial de solución, al ser una parte del huevo que no se aprovecha para el consumo y que se genera en abundancia, ya que a nivel mundial su producción superó los 1.417 billones de unidades producidas y de 13.316 millones de unidades tan solo para el 2017 6. Estas cáscaras presentan un contenido de hasta un 94% de carbonato de calcio (CaCO3), el cual es un compuesto con capacidad reguladora del intercambio de gases, protección contra daños mecánicos y contaminación bacteriana dentro del huevo 7. Este efecto de protección o barrera ha sido investigado en una amplia variedad de aplicaciones industriales y químicas 3 , 8, llegando a ser empleado para purificar el agua de los compuestos contaminantes que por métodos tradicionales de filtración no podrían ser separados, siendo además bastante económico y fácilmente remplazable una vez el sistema se sature o complete su vida útil.
Específicamente el carbonato de calcio presente en las cáscaras de huevo aviar ha sido evaluado en la remediación de agua contaminada con cianuro 9, boro 10 o la adsorción de metales pesados como níquel, hierro, plomo, cobre, entre otros 2 , 3. Sin embargo, para que esta técnica sea posible de aplicar, se requiere de sistemas de filtración que obliguen el contacto del agua con el material, lo cual tradicionalmente se aplica por filtración convencional o lineal que es más sencilla de aplicar a corrientes de agua, pero se limita en cuanto a la relación de permeabilidad/flujo por la presión requerida para flujo de líquido 11. Esta situación implica que se debe escoger entre un mayor flujo con menor capacidad de filtración, lo cual resulta en un sistema poco eficiente de retención de compuestos específicos; o una mejor retención de compuestos con un flujo que desciende rápidamente gastando el medio filtrante hasta no poderlo usar, generando que el uso y reposición de los filtros sea costoso. A partir de esto se planteó la generación y evaluación de un filtro a base de cáscaras de huevo que sea fácilmente remplazable como mecanismo sustentable para purificación de compuestos azufrados en agua potable.
2 Metodología
2.1 Zona de estudio
Las muestras de agua para el análisis fueron recolectadas de dos vertientes procedentes de fuentes termales derivadas del volcán Azufral (Nariño) y cercanas al corregimiento de El Espino, municipio de Sapuyes (Nariño) (1° 02 '45.4 " Norte; 77° 41' 41.6 " Oeste). En cada muestra se cuantificó la presencia de compuestos azufrados totales empleando un método de cuantificación de reacción química específica para compuestos azufrados de tipo sulfato (SO-4) 12, de forma que los resultados de laboratorio puedan ser extrapolados a nivel aplicativo.
2.2 Material biológico
Las cáscaras de huevo empleadas en el estudio fueron obtenidas del restaurante escolar de la Institución Educativa Técnica El Espino, las cuales fueron sometidas a un proceso de lavado para retirar el albumen residual y la membrana interna, inmersión en hipoclorito de sodio (5 % v/v) en agua hirviendo durante 5 minutos para higienizarlas, secado (60°/8 h), para posteriormente ser molidas y tamizadas en tres fracciones con diámetros medios de 800 µm, 400 µm y 200 µm. Cada fracción se evaluó por separado en filtros compactos lineales debido a que la capacidad de adsorción de los bio-sorbentes se puede aumentar al incrementar la relación del área de contacto en relación con su volumen 13 y poder maximizar el efecto ante la retención de los compuestos azufrados. Así mismo, cada fracción fue caracterizada morfológicamente mediante microscopia de barrido electrónico (SEM) donde las muestras fueron metalizadas con oro-paladio y observadas en un microscopio modelo TESCAN 3VEGA (República Checa) en condiciones de 30 kV y vacío de 1.2x10-5 Torr.
2.3 Identificación y cuantificación de contaminantes azufrados
Debido a que en la naturaleza existe una gran variedad de compuestos derivados del azufre más allá del elemento puro, se evaluaron dos tipos de sustancias como soluciones problema: sulfato de cobre (CuSO4), compuesto donde la fracción azufrada es mayoritaria, disuelto en proporción de 0,8923 g/L; y azul de metileno (C16H18ClN3S) compuesto donde la fracción azufrada es minoritaria disuelto en concentración de 0,1434 mg/L. La variación del contenido de moléculas azufradas se cuantificó tomando muestras de 20 ml de forma continua con el fin de determinar la velocidad de adsorción y la máxima capacidad de adsorción del filtro mediante un sistema de análisis indirecto por espectrofotometría y calibración con estándares de concentración conocida. Las muestras de agua con presencia de sulfato de cobre se cuantificaron a una longitud de onda de 810 nm; mientras que para las muestras con azul de metileno se cuantificó a una longitud de onda de 665 nm.
2.4 Proceso de filtración
La filtración se evaluó en filtros compactos de 50 y 100 g de cáscaras de huevo en un soporte lineal evaluando las variables tamaño de partícula (800 µm, 400 µm, 200 µm) y tipo de solución de azufre (sulfato de cobre y azul de metileno) en condiciones de presión de 120 KPa (equivalente a la presión del sistema de acueducto). Con los datos recolectados de filtrado se ajustó a un modelo matemático de pseudo primer orden propio para un fenómeno de adsorción 14, tomando en consideración que la fuerza impulsora para la migración del contaminante a adsorber (A) hacia los poros de la cáscara en cualquier volumen de agua agregado (V) se puede estimar como la variación diferencial de estas dos variables (dA⁄dV). Además, esta tasa de adsorción tiene una relación lineal con el volumen de agua con contaminantes azufrados que pasa, por lo cual se puede obtener la Ecuación (1):
Donde Amax es la masa máxima de contaminante que se puede llegar a retener, A es la masa adsorbida en cualquier volumen; haciendo que esta diferencia se refiera a los poros vacíos disponibles que pueden adsorber el contaminante en cualquier momento; β es un coeficiente de transferencia de masa aparente y está relacionado con la velocidad de adsorción del contaminante azufrado. Al solucionar la ecuación diferencial se obtiene que el proceso de adsorción se puede describir por la Ecuación (2):
Esta ecuación por integración en condiciones iniciales y de equilibro [V=0, A=0; V=V, A=AV], se obtiene la Ecuación Simplificada (3):
Mediante el uso de esta ecuación adecuada a las condiciones experimentales de cada una de las fracciones evaluadas, se calculó las propiedades de adsorción específicas según el tamaño de partícula planteado.
3 Resultados
Inicialmente se demostró que el tratamiento de adecuación no alteró la capacidad de adsorción de la cáscara según lo previsto 14, lo cual facilitó su implementación sin la necesidad de emplear técnicas de esterilización agresivas que puedan desgastar la superficie de las partículas o requerir un alto consumo energético. El proceso de reducción de tamaño favoreció la relación de área de contacto y su respectivo volumen 12 , 15, y por ende su disposición de contacto con el fluido líquido y su capacidad de adsorción. Específicamente las partículas de diámetro de 800 µm mostraron tener un alto paso de flujo debido a las brechas que permitían el rápido flujo de líquido, y a su vez presentaban una baja irregularidad superficial (Figura 1) que dificultó una adsorción del contaminante superior al 35%. En la reducción del tamaño de partícula de 400 µm (Figura 2) se maximizó la capacidad de adsorción en una forma significativa; sin embargo, para el caso de 200 µm se obtuvo una capacidad de adsorción máxima del compuesto a adsorber. Esto fue debido a la presencia de puntos de cizalla y alteraciones estructurales (Figura 3), lo que incrementó significativamente la adsorción completa con la aparición de partículas amorfas con cizallas y nanoporos que incrementan los puntos de contacto con el carbonato de calcio.
Figura 1 Partículas de cáscara de huevo de 800 µm de diámetro obtenidas mediante microscopia de barrido electrónico. A) Micrografía estructural. B) Perfil de variación superficial
Figura 2 Partículas de cáscara de huevo de 400 µm de diámetro obtenidas mediante microscopia de barrido electrónico. A) Micrografía estructural. B) Perfil de variación superficial
Figura 3 Partículas de cáscara de huevo de 200 µm de diámetro obtenidas mediante microscopia de barrido electrónico. A) Micrografía estructural. B) Perfil de variación superficial.
Además, la reducción de tamaño favoreció la adsorción de los dos tipos de contaminantes propuestos en el diseño planteado, donde el modelo de adsorción descrito en la Ecuación (2) presentó un alto grado de correlación con los resultados experimentales (Tabla 1), lo que muestra que el proceso sigue las características matemáticas de una ecuación de pseudo primer orden para todos los experimentos del diseño planteado (r2>0,95). También se observó que a medida que se redujo el diámetro de partícula se incrementó el tiempo de contacto entre el material contaminante y la superficie adsorbente, favoreciendo de manera geométrica la capacidad máxima de adsorción (Amax) debido al incremento de nanoporos en las partículas de cáscara de huevo con capacidad de interactuar con contaminantes con carga negativa, lo cual favorece no solo la purificación del agua sino el equilibrio en el pH del agua 16; sin embargo este efecto de reducción también actúa de forma inversa con la tasa de adsorción (β) debido al paso más lento de flujo 14.
Tabla 1 Parámetros de adsorción específicos para cada filtro evaluado.
| Contaminante de azul de metileno | |||
|---|---|---|---|
| A max [mg L -1 ] | β [L -1 ] | r 2 | |
| Ø = 200µm | 0,06292 | 0,25759 | 0,999123 |
| Ø = 400µm | 0,0314 | 0,41294 | 0,999999 |
| Ø = 800µm | 0,002545 | 0,4801 | 0,999985 |
| Contaminante de Sulfato de cobre | |||
| A max [mg L -1 ] | β [L -1 ] | r 2 | |
| Ø = 200µm | 22,9907 | 0,10343 | 0,977288 |
| Ø = 400µm | 14,7921 | 0,06273 | 0,967829 |
| Ø = 800µm | 7,44585 | 0,01025 | 0,98435 |
Cada uno de los tamaños de partícula evaluados mostró seguir el modelo planteado (Figura 4), demostrando que la capacidad de adsorción de la cáscara de huevo es efectiva según el tratamiento de adecuación que se le otorgue. De esta forma se consiguió un nivel de adsorción medio similar a los reportados con una eficiencia de 90 % e incluso teniendo una velocidad de adsorción y equilibrio inferior a la esperada de 30 minutos 17. Además, al extrapolar los datos de capacidad de adsorción de compuestos azufrados con respecto a la concentración de compuestos azufrados detectada en las muestras de la región recolectadas, se obtuvo que el filtro en lineal compuesto por 50 gramos de cáscaras de 200 µm de diámetro es capaz de purificar 804 Litros hasta completar su saturación, haciendo viable su implementación en las regiones de interés.
4 Conclusiones
Se comprobó la capacidad de adsorción de la cascara de huevo ante diferentes compuestos azufrados mediante el proceso planteado. Específicamente la adecuación y construcción de un modelo de filtros lineal, empleando partículas de 200 micrómetros de diámetro medio, mostró una mejor capacidad de adsorción (62.926 mg contaminantes/filtro de 50g), equivalentes a una capacidad de adsorción máxima de 804 Litros hasta completar su saturación. Sin embargo, debido a que la reducción de la capacidad de adsorción sigue un modelo de saturación paulatina, esta capacidad se reduce a medida que el filtro se está saturando; por lo cual se recomienda el uso de este modelo de filtro para un volumen de agua de 402 Litros (50 % de saturación), donde se puede asegurar sin problema la reducción de compuestos azufrados en el flujo de agua a tratar.
