Spanish (pdf)
Article in xml format
Article references
Automatic translation
Send this article by e-mail
Cited by SciELO 
Cited by Google 
Similars in
SciELO 
Similars in Google 
Permalink
Introducción
Recientemente ha surgido interés en el desarrollo de un método fácil para eliminar rápidamente los aceites de la superficie del agua, impulsado por el problema de los contaminantes del petróleo causantes de contaminación ambiental grave y de problemas de salud en los seres humanos. La reducción de estos contaminantes ha llamado especial atención desde hace mucho tiempo, teniendo en cuenta que los métodos utilizados para este proceso no deben dar como resultado productos secundarios tóxicos, no deben ser costosos, deben ser fáciles de manejar y no provocar alteraciones ecológicas 1,2.
El riesgo de la contaminación por residuos de petróleo ha aumentado con el crecimiento del desarrollo industrial y los procesos de exploración, producción y refinación del petróleo. El aumento en el volumen de aguas residuales oleosas y su efecto una vez vertidas en el ambiente son actualmente una preocupación ambiental, razón por la cual el tratamiento de este tipo de contaminantes es fundamental para la protección del medio ambiente 3. El agua aceitosa se ha tratado de forma convencional a través de diferentes métodos físicos, químicos y biológicos. Sin embargo, la mayoría de las tecnologías convencionales no logran eliminar completamente el aceite suspendido y los elementos disueltos; además, muchos tratamientos químicos implican altos costos iniciales y/o de funcionamiento, y conducen a la producción de lodos peligrosos que se liberan en plataformas marinas debido a restricciones de espacio 4.
En el caso especial de contaminantes de productos derivados del petróleo se estima que se han arrojado al mar cerca de 224 000 toneladas. A pesar de que estos materiales pueden ser eficientemente removidos por tecnologías avanzadas, estas son usualmente costosas y difíciles de mantener. Además, muchas veces estos contaminantes forman emulsiones que son más difíciles de tratar debido a su alta estabilidad en fase acuosa. En este sentido, tecnologías como la adsorción se convierten en un proceso prometedor por su simplicidad, efectividad, y viabilidad si se usa un sorbente adecuado 5.
La bioadsorción brinda la posibilidad de reducir la concentración de contaminantes mediante el uso de biomasas como material adsorbente. En este sentido, los subproductos agrícolas y de procesos industriales, en su mayoría, tienen poco o ningún valor económico por lo que representan una gran alternativa de uso en este proceso. Además, alivian problemas ambientales puesto que algunos de ellos, tales como el aserrín, están disponibles en grandes cantidades en los aserraderos y presentan con frecuencia un problema de eliminación 6. El aserrín es un subproducto fácilmente disponible en la industria de la madera y el papel, que exhibe buenas características de sorbente para el tratamiento de aguas con presencia de diferentes contaminantes, entre ellos productos relacionados con el posconsumo del petróleo 7-8.
Diversos autores demuestran la eficacia del aserrín para la remoción de contaminantes; el aserrín de Bambú se utilizó para eliminar metales pesados y colorantes en solución por su estructura constituida por celulosa y lignina, componentes altamente relacionadoas con la adsorción de contaminantes 9-10. Del mismo modo, el aserrín de pino se usó en la remoción de Níquel divalente 11 y Cromo hexavalente 12, mostrando su bajo costo para el tratamiento de aguas; mientras que otro estudio plantea el uso de una mezcla de bentonita y aserrín para la coagulación de aceite en agua, que alcanza una eficiencia de coagulación del 92% 13.
Por tanto, el uso de aserrín como eliminador de contaminantes no es solo un beneficio para el medio ambiente, sino para un posible mercado emergente en el campo de la agricultura de madera, razón por la cual el desarrollo de adsorbentes a partir de este elemento puede llegar a ser una tecnología económica y eficaz que contribuya la reducción, control y prevención de la contaminación por aceites del recurso hídrico 14. En este sentido, el alcance de la presente investigación se concentró en probar el aserrín de cedro como material bioadsorbente para la remoción de diésel en solución acuosa, en un sistema de lecho fijo y su caracterización mediante Espectroscopía Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR), para identificar los grupos funcionales inter-vinientes en dicho proceso.
Materiales y métodos
Se tamizó el aserrín con la finalidad de escoger el tamaño de partícula apropiado; posteriormente, se lavó varias veces con agua destilada hasta retirar las impurezas presentes. Luego, se secó a 80°C durante 24 h para su posterior caracterización por FTIR 14. Los experimentos de adsorción en columnas fueron llevados a cabo con el aserrín que mostró mejor desempeño en la remoción del diésel, usando el mejor tamaño de partícula estudiado previamente en sistema por lotes como se muestra en la Tabla 1:
El montaje para las pruebas en lecho fijo fue realizado en columnas de plástico transparente de diámetro 3,5 cm y una altura de 18,5 cm, como se muestra en la Figura 1. El tiempo de contacto establecido fue de 180 min, tomando alícuotas de 50 mL en diferentes intervalos de tiempo con el fin de observar el comportamiento de la biomasa.
La medición de la concentración residual fue realizada por cromatografía de gases. Para ello, fue necesario romper la emulsión previamente agregando 10 mL de etanol, 2 g de NaCl, 10 mL de heptano sobre cada muestra de 50 mL, y calentándola a una temperatura de 80 °C durante 4 minutos. Además, se usaron unas gotas de tetra-propylenbenzol-sulfonatlosung al 5%. Finalmente, a las mejores condiciones se estableció la saturación de la columna. Ajustándolo al modelo de Thomas que está dado por:
Donde k1 es la constante de velocidad de Thomas (mL min-1 mg-1); q0 es la cantidad maxima de metal adsorbido (mg g-1), M es la masa del adsorbente (g); Q es el flujo (mL/min); C0 es la concentracion inicial de metal (mg/mL) y Ct es la concentración del adsorbato en el tiempo (mg/mL). El ajuste al modelo se calculo con el método de suma de cuadrado de los errores usando la herramienta Solver de Excel.
Resultados y discusión
Caracterización por FTIR
En la Figura 2 se observa el espectro FTIR correspondiente al aserrín de cedro previo al proceso de adsorción de diésel en sistema continuo.
En el espectro del aserrín de C. odorata L se encuentra identificada en los puntos 1600, 1460, 1420, 1330, 1270 y 1030 cm-1 lignina; asimismo, alrededor de 3400 cm-1 la celulosa. El pico 3403,74 cm-1 se relaciona con la presencia de ácidos carboxílicos debido a las vibraciones del grupo OH, por lo que el grupo hidroxilo se puede asociar a la remoción de diésel, además, se observa un cambio en la frecuencia de 2918,73 cm-1, por lo que también asociamos el proceso a grupos alifáticos simétricos y asimétricos. La presencia de estos grupos funcionales en la estructura del aserrín de cedro, el cual se usará como lecho para remover diésel presente en solución acuosa, confirman la presencia de centros activos en la superficie del material y su capacidad como agente adsorbente de acuerdo con lo reportado por Zang et al. 17 y Gao et al. 18.
En la Figura 3 se muestra el espectro FTIR del aserrín de cedro luego del proceso de adsorción de diésel en solución acuosa:
Con respecto al espectro del aserrín se observa un cambio importante en la aparición de los picos de absorbancia 1157,08, 1105,01 y 1057,76 cm-1 correspondientes a la participación de alcoholes debido a la alta energía de adsorción del grupo OH. La aparición e intensificación de picos correspondientes al grupo hidroxilo en la estructura del material confirman que el material adsorbió el diésel presente en la solución acuosa con la que se colocó en contacto en las columnas de lecho empacado.
Isotermas de adsorción
Los datos de adsorción experimental de equilibrio de diésel se sometieron a los modelos de isoterma de Langmuir y Freundlich, ya que la optimización de un proceso de adsorción requiere la comprensión de las fuerzas propulsoras que gobiernan la interacción entre el adsorbato y el adsorbente. El modelo de Langmuir establece que la adsorción se produce en sitios homogéneos específicos dentro del adsorbente y las fuerzas intermoleculares disminuyen rápidamente con la distancia desde la superficie de adsorción, suponiendo que todos los sitios activos de adsorción son enérgicamente idénticos y que la adsorción ocurre en un sitio de unión estructuralmente similar. La isoterma de adsorción de Langmuir está representada en la Ec. 2.
Donde, qmax (mg/g) es la capacidad de adsorción máxima y b (L/mg) es constante de Langmuir relacionada con el calor de adsorción. El modelo de isoterma de adsorción de Freundlich es una curva que relaciona la concentración de un soluto en la superficie de un adsorbente, con la concentración del soluto en el líquido con el que está en contacto. Este supone múltiples capas de adsorción con una distribución no uniforme de calor y afinidades de adsorción sobre la superficie heterogénea y puede aplicarse para concentraciones bajas e intermedias. La isoterma de Freundlich se expresa según la Ec. 3:
Donde, KF y n son las constantes de velocidad de Freundlich designadas como capacidad de adsorción e intensidad de adsorción, respectivamente. El valor de n se ubica en el intervalo 1 a 10, y es un punto de referencia para evaluar la interacción adsorbente-adsorbato; la magnitud del exponente 1/n determina la favorabilidad de la adsorción ya que, cuando n>1, representa una condición de adsorción favorable y esta constante empírica indica la intensidad de adsorción (L mg-1) que depende de la temperatura y las propiedades del adsorbato y del adsorbente. Ce es la concentración residual de soluto en solución (mg L-1), qe es la cantidad de adsorbato adsorbido por una masa unitaria de adsorbente en equilibrio (mg g-1). En la Figura 4, se muestra el ajuste de los datos experimentales a los modelos de isotermas presentado:
En la Tabla 2, los valores de cada parámetro y el error calculado, de la cuales establece la alta correlación de los datos experimentales con los modelos de Langmuir y Freundlich, por lo cual estos pueden explicar la adsorción por estos materiales satisfactoriamente. En cuanto a los parámetros calculados, b, de la isoterma de Langmuir, son un indicativo de la energía de enlace entre el metal y el ion metálico, por lo tanto, al ser este un valor cercano a 1,0 se concluye que el material presenta una alta energía de enlace, mientras que el valor de 1/n, que también es menor a 1, indica que la isoterma de Freundlich se puede aproximar a la de Langmuir.
Así se puede concluir que el enlace se da principalmente por fuerzas físicas, la adsorción está limitada a la formación de una monocapa, el número de especies adsorbidas no excede el total de sitios disponibles, inicialmente todos los sitios están disponibles, y no se considera ninguna reacción de desorción que pueda tener lugar durante el proceso de remoción.
Otros autores han trabajado con materiales orgánicos obteniendo resultados similares a los arrojados en la presente investigación. Dentro de los artículos revisados se encontró el estudio realizado al aserrín de Ceiba Pentandra L., el cual mostró altas características hidrofóbicas y oleofílicas atribuibles a su superficie cerosa confirmadas por FTIR, que obtuvo una reducción del 30% de la capacidad de adsorción de aceite 19. A partir del uso de fibra de Kapoc se obtuvo una eficiencia del 74,5%; 66,8%; 64,4% y 47,8% en la separación de gasolina, diésel, aceite de soja y aceite de parafina, indicando el estudio termodinámico que el proceso de adsorción es espontánea y exotérmica, con fisisorción complejo y quimisorción 20.
Adsorción en sistema de columna de lecho fijo
Para determinar las condiciones de trabajo se tomó como criterio la cantidad máxima de contaminante adsorbida según el modelo de Thomas, descrito por la ecuación 4. Este modelo fue uno de los más utilizados para describir el rendimiento de la columna y predecir la curva de ruptura de adsorción donde su principal limitante es la derivación, que se basa en una cinética de segundo orden y que considera que la biosorción no está limitada por la reacción química sino que por el contrario, esta es controlada por la transferencia de materia en la interfase 21.
Donde KT, q0 y F son constante de velocidad (L mg-1 h-1), la capacidad de absorción de metales (mg g-1) y la frecuencia (L h-1), respectivamente. El ajuste al modelo de Thomas se muestra en la Tabla 3.
Se puede observar que la adsorción de diésel en sistema continuo es bien descrita por el modelo de Thomas, pues la suma de los errores muestra un buen ajuste al modelo, lo que permite establecer que la adsorción del contaminante se vio ampliamente favorecida por cuanto se aumentó la cantidad adsorbida por biomasa al aumentar el flujo, y al disminuir la cantidad de biomasa en el lecho. A los 180 minutos del proceso se alcanzó una remoción máxima de 48,64 mg/g a un flujo de 0,1mL/s y 4 g de biomasa.
Al analizar la influencia de los factores trabajados, se concluye que la rata de flujo es una de las características más importantes para evaluar el tratamiento de contaminantes a escala industrial. El efecto fue medido variando el flujo para dos cantidades de biomasa. Luego de analizar el comportamiento de adsorción los primeros 180 minutos, se procedió a continuar el proceso con las mejores condiciones hasta alcanzar la saturación de la biomasa. Los resultados se muestran en la Figura 5.
Se encontró una saturación de la biomasa al remover el 15% del aceite contenido, y una capacidad máxima de 62,93mg/g, mostrando además, que es muy superior al determinado en sistema batch, aún después de trabajar a una concentración de contaminante mayor, por lo cual se establece que el aserrín de cedro tiene un gran potencial para ser usado en sistemas de lecho empacado. Ahora bien, si se compara la capacidad de adsorcion de diésel obtenida con aserrín con otros materiales reportados como: Bagazo de caña de azúcar 10,51 mg/g 22; fibra de cabello de semilla de álamo 182 a 211 g/g 23; cascarilla de arroz 2,6 22; fibra de ceiba 10,4 mg/g 24; 19,35 mg/g 22, y algodón en rama 30,5 g/g 25, frente a los resultados obtenidos en el presente estudio, se establece que el aserrín de cedro es una biomasa prometedora para la remocion de diésel en sistema de lecho empacado.
Conclusiones
De la caracterización realizada a los bio-materiales se encontró la presencia de grupos hidroxilo y carbonilo principalmente, los cuales favorecen la disposición de centros activos durante el proceso de adsorción del diésel. Se observa que los datos experimentales se ajustan a los modelos de Langmuir y Freundlich, así se puede concluir que el enlace se da principalmente por fuerzas físicas, que la adsorción está limitada a la formación de una monocapa, que el número de especies adsorbidas no excede el total de sitios disponibles, y que no se considera ninguna reacción de desorción durante el proceso de remoción. El modelo de Thomas describe adecuadamente los datos de adsorción de diésel en sistema continuo, proceso favorecido al aumentar la velocidad de flujo y al disminuir la cantidad de biomasa en el lecho.
