Influencia del naoh en la obtención de zeolitas a partir de cenizas volantes, para la remoción de cu2+ y pb2+ en efluentes acuosos

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. UN T. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO. Qu. ím. ica. ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA. In ge. nie. ría. “INFLUENCIA DEL NaOH EN LA OBTENCIÓN DE ZEOLITAS A PARTIR DE CENIZAS VOLANTES, PARA LA REMOCIÓN DE Cu2+ Y Pb2+ EN EFLUENTES ACUOSOS”.. TESIS:. PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO. de. AUTORES:. Br. CHUQUIMANGO INFANTES BETTY ISABEL. bli ot ec a. Br. ARAUJO YAIPEN CARLOS GUILLERMO. ASESOR:. Dr. NELSON W ILLIANS FARRO PÉREZ. TRUJILLO – PERU. Bi. Junio, 2014. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ím. ica. UN T. SEÑORES JURADOS. Dr. Jorge Enrique Flores Franco. In ge. nie. ría. Qu. Presidente. Dr. José Félix Rivero Méndez. Asesor. Bi. bli ot ec a. de. Secretario. Dr. Nelson Willians Farro Pérez. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. permitido llegar, pese a todas las adversidades a esta instancia. Por protegerme y ser luz que. ría. Qu. guía mi camino.. ím. Agradezco ante todo a Dios por haberme. ica. UN T. DEDICATORIA. A mis padres Celso y Valentina, por. nie. ser el pilar básico en mi vida, por su amor incondicional, por su confianza, por sus. lo que pase nunca hay que rendirse. Los amo.. de. In ge. valores inculcados y enseñarme que pase. A mis hermanos, por ser parte importante. bli ot ec a. en mi vida, por su cariño, por ser ejemplo y apoyo, por ser lo que son: Ustedes mi familia. Los quiero mucho.. Bi. Betty Isabel. i Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. AGRADECIMIENTO A la universidad Nacional de Trujillo y en especial a la Facultad de Ingeniería Química por permitirnos pertenecer a esta casa de estudios de triunfadores y por formarnos para ser gente productiva para el país.. ica. De manera especial expresamos nuestra más profunda gratitud al Dr. Nelson W. Farro Pérez por compartir su experiencia investigadora, quién. ím. además de transmitirnos sus puntos de vista prácticos, nos orientó, y aconsejó pacientemente, haciendo de ello una experiencia muy satisfactoria Asimismo agradecemos, el interés y ánimo que nos ha. Qu. y enriquecedora.. ofrecido en todos estos meses de trabajo.. proporcionarnos. la materia. prima, material. de investigación. para la. nie. realización de este proyecto.. ría. Por otro lado agradecemos a la empresa papelera Trupal S.A, por. A la PNP III DIRTEPOL- Laboratorio de Absorción Atómica - Oficri –. In ge. Trujillo, Ing. Manuel Sánchez Pereda por su confianza, y apoyo para facilitarnos el uso del equipo de absorción atómica, para los análisis de muestras.. de. Extendemos nuestro agradecimiento al Dr. Wilson Reyes, Ing. José Cruz Monzón, Técnico Mora, Ing. Merado Quezada Álvarez por apoyarnos en su momento y a todos aquellos que participaron directa o indirectamente. bli ot ec a. en la elaboración de esta tesis.. Bi. ¡Infinitamente gracias a Ustedes!. ii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. RESUMEN El desarrollo de la industria papelera, lleva asociado la generación de grandes volúmenes de residuos industriales, que en la mayoría de los casos, terminan en los vertederos, perdiendo su potencial como materias Por. ica. primas para otros sectores industriales y generando contaminación.. esta razón el presente trabajo de investigación se basa en la síntesis de un residuo sólido: las cenizas volantes; con la finalidad de obtener un material. ím. zeolítico, con una alta capacidad de intercambio catiónico, para la remoción de iones metálicos peligrosos en soluciones acuosas; acorde con los. Qu. parámetros del límite máximo permisible para aguas, establecido por el DS N° 002-2008 MINAM.. La síntesis del material zeolítico a partir de las cenizas volantes tipo. ría. C, procedente del caldero, de la industria papelera Trupal S.A, se llevó a cabo mediante un proceso de fusión alcalina e hidrotérmico, donde se. nie. determinó la relación del NaOH/CVT, variando la proporción en peso del NaOH de 0.5/1, 1/1, 1.5/1, 2/1 y 2.5/1, y al producto de estas se les nominó. In ge. : A, B, C, D y E.. La máxima eficiencia de adsorción de cationes metálicos, se determinó en función del porcentaje de eficiencia de remoción de Cu2+ y Pb2+, siendo la concentración inicial de 275.72 mg/L y 871.503 mg/L. de. respectivamente, y evaluando la concentración remanente del metal en disolución, después de una regeneración con NaCl al 5%.. La máxima. 2+. eficiencia de remoción (REM) para el Cu , fue de 99.98%, cuando se. bli ot ec a. utiliza la proporción en peso NaOH/CVT igual a 2/1, con una dosis de material zeolítico/volumen de solución Cu2+, igual a 2gr/100ml. 2+. Pb. Y para el. con la dosis de 2gr/100 ml, la REM fue de 99.95%, para una. proporción en peso de NaOH/CVT, de 1.5/1. En la eficiencia de recuperación de metales Cu2+. y Pb2+, y. regeneración de adsorbentes, de las muestras tratadas con NaCl al 5% a. Bi. temperatura ambiente, se determinó que el porcentaje de recuperación del metal está por debajo del 1%.. A pesar de ello el material zeolítico sigue. conservando su capacidad como adsorbente. iii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. ABSTRACT. The development of the paper industry, has associated with the generation of large volumes of industrial waste, in most cases, end up in generating pollution.. ica. landfills, wasting their potential as raw materials for other industries and For this reason the present research is based on the. synthesis of solid waste: fly ash; in order to obtain a zeolitic material with a. ím. high cation exchange capacity, for the removal of hazardous metal ions in aqueous solutions; according to the parameters of the maximum permissible. Qu. limit for water, established by Supreme Decree N° 002-2008 MINAM. The synthesis of the zeolitic material from the type C fly ash from the. ría. boiler, by papermaking Trupal SA, held by a hydrothermal process and alkali fusion, wherein the ratio of NaOH/CVT is determined by varying the NaOH. nie. weight ratio of 0.5/1, 1/1, 1.5/1, 2/1 and 2.5/1, and the product of these will be nominated: A, B, C, D and E.. In ge. The maximum adsorption efficiency of metal cations was determined by percentage removal efficiency of Cu2+ and Pb2+, with initial concentration of 275.72 mg/L and 871,503 mg/L respectively, and evaluating the remaining metal concentration in solution, after regeneration with 5% NaCl.. The. maximum efficiency of removal (REM) for Cu2+ was 99.98%, when the ratio is 2+. de. used in NaOH/CVT weight equal to 2/1, with a dose of zeolitic material/Cu. solution volume equal to 2gr/100ml. And for the Pb2+ with 2gr/100 ml dose,. bli ot ec a. the REM was 99.95% at a weight ratio of NaOH/CVT, 1.5/1. In the metals recovery efficiency Cu. 2+. 2+. and Pb , and adsorbent. regeneration, the samples treated with 5% NaCl at room temperature, it was. determined that the percentage recovery of metal is below 1%. However the. Bi. zeolite material retains its capacity as adsorbent.. iv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. INDICE GENERAL DEDICATORIA .................................................................................................. i AGRADECIMIENTO .......................................................................................... ii. ica. RESUMEN ........................................................................................................ iv. ABSTRAC ..........................................................................................................v. ím. CAPITULO I .......................................................................................................1. Qu. INTRODUCCION ...............................................................................................1 1.1. Residuos sólidos .....................................................................................2 Cenizas volantes.............................................................................4. 1.1.2. Metales pesados.............................................................................5. ría. 1.1.1. nie. 1.2. Obtención de zeolitas a partir de cenizas volantes .................................7 1.2.1 Cenizas volantes como materia prima ..............................................8. In ge. 1.2.2 Síntesis de zeolitas ...........................................................................9 1.3. Remoción de iones de metales pesados................................................14 1.3.1. Proceso de adsorción ......................................................................14. de. 1.3.2. Adsorción con zeolitas y su regeneración........................................16. bli ot ec a. 1.4. Objetivos y alcance de la presente investigación ...................................20 CAPITULO II .....................................................................................................22 MATERIALES Y METODOS.............................................................................22 2.1. Material de estudio..................................................................................22. Bi. 2.1.1 Reactivos ..........................................................................................22. 2.1.2. Material de vidrio y otros ..................................................................23 2.1.3. Equipos e instrumentos....................................................................24. v Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2.1.4. Muestra............................................................................................25. UN T. 2.1.4.1. Unidad de análisis...................................................................25 2.1.5. Variables en estudio..........................................................................26. 2.1.5.1. Definición de variables ........................................................................26. ica. 2.2. Esquema experimental ..........................................................................27. ím. 2.2.1. Metodología para la fabricación de material zeolítico .............................29 2.2.1.1. Procedimiento para el pre-tratamiento de la FA................................29. Qu. 2.2.2. Síntesis de zeolitas a partir de CVT. .......................................................30 2.3. Metodología para evaluar la eficiencia de adsorción de las zeolitas,. ría. recuperación de metales cu2+ y pb2+, y regeneración de los adsorbentes. .......31 2.3.1. Procedimiento para la adsorción de las zeolitas ..............................33. nie. 2.3.1.1. Cálculo del porcentaje de eficiencia de remoción ..................33 2.3.2. Procedimiento para la recuperación de cationes metálicos Cu2+ y. In ge. Pb2+, y regeneración de adsorbentes................................................................34 2.3.2.1. Cálculo de la eficiencia de recuperación de metales..............35. de. CAPITULO III ....................................................................................................37 RESULTADOS Y DISCUSION .........................................................................37. bli ot ec a. 3.1. Caracterización de la ceniza volante......................................................37 3.2. Eficiencia de remoción de cationes metálicos Cu2+ y Pb2+ ....................38 3.2.1. Eficiencia de remoción de catión metálico Cu2+ ...............................38 3.2.2. Eficiencia de remoción del catión metálico Pb2+ ..............................43. Bi. 3.3. Eficiencia de recuperación de cationes metálicos y regeneración de. adsorbentes ......................................................................................................47. vi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO IV....................................................................................................50. UN T. CONCLUSIONES .............................................................................................50 CAPITULO V.....................................................................................................52 RECOMENDACIONES .....................................................................................52. ica. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................53. Bi. bli ot ec a. de. In ge. nie. ría. Qu. ím. ANEXOS ...........................................................................................................60. vii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Composición de cenizas de diferentes procedencias (Datos en %).....4. ica. Tabla 2. Definiciones para metales pesados .....................................................6. ím. Tabla 3. Metales pesados presentes en efluentes industriales..........................7 Tabla 4. Capacidades de adsorción (mg/g) de metales pesados en distintos. Qu. tipos de zeolitas. ...............................................................................................17. ría. Tabla 5. Variables en la investigación según su relación y naturaleza ............26 Tabla 6. Cantidades de cada componente para la fabricación de material. nie. zeolítico, según la relación NaOH/CVT (ver anexo III)......................................27. Bi. bli ot ec a. de. In ge. Tabla 7. Análisis fisicoquímico de la ceniza volante ........................................37. viii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Representación esquemática de los procesos de adsorción,. absorción e intercambio iónico .................................................................... 13. Figura 2. Unidad estructural tetraédrica del ion ortosilicato. ............................10. ica. Figura 3. Nesosilicato constituido por la unión de (a) dos tetraedros, (b) tres tetraedros, (c) cuatro tetraedros o (d) seis tetraedros.......................................10. ím. Figura 4. Representación esquemática de los procesos de adsorción, absorción e intercambio iónico..........................................................................15. Qu. Figura 5. Ceniza volante tomada de la zona colindante al caldero ...................25 Figura 6. Ceniza volante calcinada a 800 °C ..................................................25 Figura 7. Diseño experimental para el estudio del proceso de la fabricación. ría. de material zeolítico a partir de ceniza volante (ver Anexo II y III). ...................28 Figura 8. Diagrama de flujo para el proceso de adsorción, recuperación del. nie. metal y regeneración de las zeolitas (ver Anexo IV y V). ..................................32 2+. Figura 9. Valores de las concentraciones de las soluciones de Cu. remanente en función del tipo de material zeolítico obtenido; para el primer y. In ge. segundo proceso de adsorción. concentración del Cu2+,. C0: [Cu2+]0 = 275, 72 ppm;. C1 y C2:. luego de la primera y segunda adsorción. respectivamente................................ ............ ..................................................38 Figura 10. Variación de la eficiencia de remoción de Cu2+, en función del. de. material zeolítico obtenido; para el primer y segundo proceso de adsorción, usando la misma zeolita y soluciones frescas de [Cu2+]0 = 275. 72 mg/L. .......39. bli ot ec a. Figura 11. Valores de las concentraciones de Pb2+ remanente en función del tipo de material zeolítico obtenido; para el primer y segundo proceso de adsorción. C0: [Pb2+]0 = 871, 503 ppm; C1 y C2: concentración del Pb2+,. luego de la primera y segunda adsorción respectivamente. .............................43 Figura 12. Variación de la eficiencia de remoción de Pb2+, en función del tipo. de material zeolítico; para el primer y segundo proceso de adsorción, usando. Bi. la misma zeolita y soluciones frescas de [Pb2+]0 = 871.503 mg/L. ...................44 Figura 13. Concentración de la recuperación de Cu2+ de las zeolitas tratadas. ix Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. con NaCl al 5%, después del primer proceso de adsorción..............................47. UN T. Figura 14. Concentración de la recuperación de Pb2+ de las zeolitas tratadas. Bi. bli ot ec a. de. In ge. nie. ría. Qu. ím. ica. con NaCl al 5%, después de la primera adsorción. ..........................................48. x Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. LISTA DE TABLAS ANEXO. Tabla A-1. Requerimientos químicos ...............................................................61 Tabla A-2. Valores experimentales obtenidos del material zeolítico a. diferentes proporciones en peso de NaOH/CVT...............................................67 Codificación de las muestras para el proceso de adsorción,. ica. Tabla A-3.. según dosis de las zeolitas usadas y volumen de la solución patrón. ..............70. ím. Tabla A-4. Datos experimentales de concentración de Cu2+ remanente, del primer y segundo proceso de adsorción; obtenidos para determinar el. Qu. porcentaje de eficiencia de remoción de las zeolitas. .......................................74 Tabla A-5. Valores calculados de la eficiencia de remoción de Cu2+ del material zeolítico preparadas con ceniza volante .............................................75. ría. Tabla A-6. Datos experimentales de concentración de Pb2+ remanente, del primer y segundo proceso de adsorción; obtenidos para determinar la. nie. eficiencia de remoción del material zeolítico.....................................................76 Tabla A-7. Valores calculados de la eficiencia de remoción de Pb2+, del material zeolítico preparadas con ceniza volante .............................................77. In ge. Tabla A-8. Valores de las concentraciones y eficiencia de recuperación de Cu2+ de la solución lixiviada de NaCl al 5% con el material zeolítico, después de la primera adsorción. .....................................................................81 Tabla A-9. Valores de las concentraciones y eficiencia de recuperación de. de. Pb2+, de la solución lixiviada de NaCl al 5% con el material zeolítico,. Bi. bli ot ec a. después de la primera adsorción. .....................................................................82. xi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. LISTA DE FIGURAS ANEXO. Figura A.1. Ceniza volante tipo “C” ..................................................................62 Figura A.2. Horno marca BARNSTEAD INTERNATIONAL - 2555 KERPER. ica. BOULEVARD DUBUQUE - Laboratorio de Investigación 4..............................62 Figura A.3. Ceniza volante calcinada...............................................................63 Figura A.4. Ceniza volante tamizada con malla ASTM 75, después de la. ím. calcinación ........................................................................................................63 Figura A.5. Tratamiento con HCl......................................................................63. Qu. Figura A.6. Ceniza volante tratada con HCl .....................................................64 Figura A.7. Fusión alcalina...............................................................................65 Figura A.8. Agitación de las muestras para obtener. el material zeolítico. Figura. A.9.. Estufa. ría. nominadas como C, D y E ................................................................................66 modelo. N°. 3513-1.. Marca. BARNSTEAD. nie. INTERNATIONAL- 2555 KERPER BOULEVARD ............................................66 Figura A.10. Filtración y lavado del cristal........................................................66. In ge. Figura A.11. Material zeolítico con proporción en peso de NaOH/CVT; 1.5/1 y 2/1, después del secado en la estufa.............................................................67 Figura A.12. Almacenamiento del material zeolítico ........................................67 Figura A.13. Muestras codificadas según relación NaOH/CVT y dosis:. de. PA1 a PC1 para adsorción de Pb2+..................................................................70 Figura A.14.. Adición de 100 ml de solución de nitrato de plomo. a las. muestras: PA1, PA2, PB1, PB2 y PC1. ............................................................70. bli ot ec a. Figura A.15. Adición de 100 ml de solución de nitrato de cobre a las muestras: UA1, UA2, UB1 y UB2......................................................................71 Figura A.16.. Adición de 100 ml de solución de nitrato de plomo. a las. muestras de zeolitas PA1, PA2, PB1, PB2 y PC1 ............................................71. Figura A.17. Filtración de muestras UC2, UD1, UD2 y UE1 ............................72. Bi. Figura A.18. pH metro digital modelo 3510. Marca JENWAY-Laboratorio de Química –Física, Facultad de Ing. Química ......................................................72. xii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura A.19. Centrífuga modelo EBA 20, marca HETTICH-Laboratorio de Figura A.20.. UN T. fitoquímica – Facultad de Ing. Química.............................................................73 Secado a temperatura ambiente de muestras de zeolitas,. después de la adsorción con plomo..................................................................73 Figura A.21. Lectura de muestras de cobre y plomo, por Absorción Atómica.... ica. ..........................................................................................................................73. Figura A.22. Pesado del material zeolítico PB1 ...............................................79. ím. Figura A.23. Adición de NaCl al 5%..................................................................79 Figura A.24. Agitación de las muestras PA1 y PA2 a 1000 rpm. Tratamiento. Qu. con NaCl 5%. ....................................................................................................79 Figura A.25. Filtración de muestras de PC2 a PE1 tratadas con NaCl 5%......80 Figura A.26. Lectura de concentración de cationes metálicos Cu2+ y Pb2+. ría. existentes en la solución lixiviada de NaCl al 5%. ............................................80 Figura A.27. Medición del pH, para muestras del segundo proceso de. Bi. bli ot ec a. de. In ge. nie. adsorción. .........................................................................................................81. xiii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. CAPITULO I INTRODUCCIÓN. En el transcurso de los últimos años, las industrias tienen en cuenta la. ica. importancia de un buen manejo de sus aguas de proceso y la recuperación de las aguas residuales, para evitar el agotamiento de este recurso natural.. ím. Se sabe que los iones de metales pesados, generados por el acabado de metales o industrias de procesamiento de minerales, se encuentran entre contaminantes. industriales.. más. importantes. en. muchas. aguas. residuales. La presencia de los metales tóxicos en los ríos y lagos, se. Qu. los. traduce en mayores riesgos para el medio ambiente y la salud pública [1].. ría. Consecuentemente, muchos países han establecido normas estrictas, para eliminar eficazmente los iones metálicos tóxicos de las aguas residuales, antes de su vertido en el agua natural.. nie. Por otro lado, la disposición de residuos sólidos es uno de los mayores problemas que enfrentan los países industrializados, cientos de. In ge. miles de toneladas de residuos sólidos se generan anualmente, como resultado de la manufactura de bienes y servicios; las cenizas volantes pertenecen a este género de contaminantes sólidos, los cuales constituyen un subproducto de la quema del carbón en los hornos.. de. Es necesaria la valorización de cenizas volantes, como una alternativa. para obtener zeolitas adsorbentes de cationes metálicos pesados, para el tratamiento de metales peligrosos en soluciones acuosas.. El sector. bli ot ec a. beneficiado no solo es el industrial, sino todos los habitantes de la región; ya que con esta línea de investigación, favorecería a aliviar significativamente, la reducción de costes e impactos asociados a los problemas de eliminación, de grandes cantidades de cenizas, que se generan cada año.. Por otra. parte, su uso como adsorbente regenerativo, sería una forma de reciclar el. Bi. material adsorbente, resultando económico en comparación con el elevado costo, y pérdida en la regeneración por el uso del carbón activado y zeolitas de grado comercial.. [11] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Bi. bli ot ec a. de. In ge. nie. ría. Qu. ím. ica. UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. 1.5. RESIDUOS SOLIDOS: Es toda sustancia u objeto que, una vez generado por la actividad humana, no se considera útil y se tiene la intención de deshacerse de él.. Residuos. peligrosos:. aquellos. que. por. ica. Se clasifican de la siguiente manera: sus. características. intrínsecas, representan un riesgo para la salud y el medio. ím. ambiente.. Residuos no peligrosos: aquellos que al manipularse, no generan. Qu. un daño para la salud y el medio ambiente [2].. La Ley 27314-Ley General de Residuos Sólidos, en su Art. 14º [3],. ría. define a los residuos sólidos: como aquellas sustancias, productos o subproductos, en estado sólido o semisólido; de los que su generador. nie. dispone o está obligado a disponer, en virtud de lo establecido en la normatividad nacional, o de los riesgos que causan a la salud y el ambiente;. In ge. para ser manejados a través de un sistema que incluya, según corresponda, las siguientes operaciones o procesos: 1. Minimización de residuos. de. 2. Segregación en la fuente 3. Reaprovechamiento 4. Almacenamiento. bli ot ec a. 5. Recolección 6. Comercialización 7. Transporte. 8. Tratamiento 9. Transferencia. Bi. 10. Disposición final.. [2] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Esta definición incluye a los residuos generados. Así mismo en el Art. 15º, la mencionada ley, los clasifica de. UN T. naturales.. por eventos. acuerdo a su origen en:. 2. Residuo comercial 3. Residuo de limpieza de espacios públicos 5. Residuo industrial. Qu. 6. Residuo de las actividades de construcción. ím. 4. Residuo de establecimiento de atención de salud. ica. 1. Residuo domiciliario. 7. Residuo agropecuario. ría. 8. Residuo de instalaciones o actividades especiales.. Los residuos sólidos de las industrias son de diversas tipologías, en función de la materia prima utilizada, de los procesos específicos de cada. nie. fábrica y el producto final a comercializar [4].. Según el reporte Sectorial 2002 del Banco Wiesse Sudameris [5], en. In ge. el Perú la producción de papel está siendo realizada en una mayor proporción por empresas relativamente grandes, tales como: Industrial Papelera Atlas S.A, Gloria S.A, INCAPSA, Trupal S.A, Industrias del Papel S.A, Papelera Inca S.A; entre otros.. de. papelera se encuentra. De manera general, la industria. en buen auge en todos sus aspectos:. ha. incrementado el consumo, la producción y la capacidad mundial.. bli ot ec a. Una planta papelera utiliza carbón mineral como combustible para. generar electricidad.. Este carbón, al quemarse, genera como subproducto. cenizas volantes (CV, aprox. 60%) y, en menor cantidad, cenizas volantes. Bi. de fondo (CF; aprox. 40%) [6].. [3] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CENIZAS VOLANTES:. UN T. 1.1.1. Según la norma ASTM C 618 – 03 [7], las cenizas volantes son residuos finamente divididos, que resultan de la combustión del carbón,. y que son transportados por los gases de combustión. La cantidad de. cenizas volantes, depende del contenido de materia mineral en el. ica. carbón; el color puede variar entre un gris claro y negro, dependiendo de la fuente, una tendencia clara indica contenidos de cal y un gris a negro. ím. indica presencia de altos contenidos de carbón.. Las cenizas volantes están constituidas fundamentalmente por. Qu. partículas vítreas, esféricas o redondeadas; de granulometría muy fina y con composición química, muy similar a la materia mineral del carbón, de la que procede. Así pues, se compone generalmente de Si y Al como principales. (en forma de aluminosilicato). ría. elementos. cantidades de Fe, Na, K, Ca, P, Ti, y S.. y pequeñas. Otros minerales cristalinos,. nie. también están presentes en pequeñas cantidades, tales como: mullita, cuarzo y cal de anhidrita [8].. En la Tabla 1, se establece la composición de cenizas según sus. In ge. diferentes procedencias.. de. Tabla 1. Composición de cenizas de diferentes procedencias (Datos en %). SiO2. Al2O 3. Fe 2O3. CaO MgO. LOI. Combustión de madera. 25. 2. 2. 40. 5. 2. Combustión de RSU. 17-27. 16. 2-12. 5-10. 0,2-2 3. Combustión de pet-coke. 2-12. 0,3. -. 44. 3. 9. Combustión del carbón. 59. 27. 7. 0,8. 1,0. 1. 29. 10. 23. 8. 5. 26. bli ot ec a. Procedencia ceniza. Bi. Producción de acero. Fuente: De Souza k. 2006 [9].. [4] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Las cenizas volantes, se encuentran entre las puzolanas más La propiedad puzolánica, está. UN T. comunes, y utilizadas en todo el mundo.. indicada por la forma y la rapidez con que el sílice de la ceniza volante, se combina con el hidróxido de calcio liberado por la hidratación del cemento portland. Se hacen muchos esfuerzos, para promover su uso como aditivo. ica. en la fabricación del cemento; su adición mejora la permeabilidad del. cemento, aumenta la resistencia a las soluciones nocivas como los sulfatos,. ím. y además reduce la cantidad del uso de cemento [10].. Debido a los éxitos alcanzados y al hecho de que existe una gran. Qu. diversidad de usos para este material, se ha logrado valorar la versatilidad de las cenizas en obras de ingeniería civil, despertando así la confianza en. ría. un producto que de otra manera seria considerado como desecho [11]. Una fracción de cenizas volantes, ha encontrado un uso especial en la. nie. industria espacial, debido a la naturaleza de la cenósfera, estas pueden ser utilizadas para producir material aislante liviano, el cual se ha utilizado en los transbordadores. espaciales.. Actualmente. las cenizas también han. METALES PESADOS:. de. 1.1.2. In ge. encontrado uso en la síntesis de zeolitas [12, 13].. Muchas. definiciones. diferentes. han. propuesto. basarse. en. la densidad, otras en el número atómico o peso atómico, y algunas en sus. bli ot ec a. propiedades. químicas o de toxicidad.. Un resumen. de las distintas. Bi. definiciones de metales pesados se puede apreciar en la Tabla 2 [14].. [5] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Propiedades. UN T. Tabla 2. Definiciones para metales pesados. Definición 3.5 g/cm3 – 8 g/cm3. Peso Atómico. Metales con peso molecular mayor que el sodio (40 gr/mol). Particularmente aquellos metales de transición que son tóxicos y no pueden ser procesados por organismos vivos , tales como el Cr, Hg y Pb. Término a menudo utilizado para cualquier metal con. ica. Densidad. Número atómico. ím. número atómico ≥ 20 y ≤ 92. en Cualquier metal que reacciona fácilmente con ditizona; como por ejemplo: Pb, Zn, Cu, etc.. Qu. Basadas Propiedades químicas Basadas en toxicidad. ría. la Elementos utilizados en la industria y que genéricamente son tóxicos para animales y para procesos aeróbicos y anaeróbicos. beneficiosos. o. nie. Los metales pesados ejercen efectos biológicos, que pueden ser perjudiciales. para. los. distintos. organismos;. no son. numerosas. In ge. biodegradables y tienden a acumularse en los organismos, causando enfermedades. y trastornos,. razón por la cual han sido. catalogados como una clase emergente de cancerígenos humanos [15]. Elevadas concentraciones de algunos de estos elementos en el ambiente o determinados. de. en. procesos. pueden. desencadenar. una. serie. de. problemáticas que van desde la degradación y pérdida de fertilidad de. bli ot ec a. suelos, hasta afectar procesos de tratamiento de aguas residuales [16, 17]. Entre los elementos, que han sido estudiados ampliamente durante. estas últimas décadas se encuentran: el hierro (Fe), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), boro (B), cobalto (Co), zinc (Zn), cobre (Cu), níquel (Ni), mercurio (Hg), plomo (Pb), cadmio (Cd), cromo (Cr), arsénico (As) y selenio (Se); elementos tales como: Fe, Mn, Mo, Cu y Zn, son considerados como. Bi. esenciales, para el correcto crecimiento y funcionamiento de plantas, animales y humanos; mientras que elementos tales como: el Hg, Pb, Cd, y. As, no son considerados como esenciales para ningún organismo [18]. [6] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La contaminación con metales pesados, puede surgir de muchas. UN T. fuentes, pero más comúnmente de la purificación de metales; por ejemplo,. el smelting (proceso de extracción del metal de la piedra) del cobre o la preparación de combustible nuclear. La electrodeposición es la primera. fuente de cromo y cadmio, mediante la precipitación de estos compuestos, o. ica. el intercambio de iones hacia los suelos y barros, los metales pesados se pueden localizar y quedar depositados; a diferencia de los contaminantes. ím. orgánicos, los metales pesados no decaen y presentan otros desafíos para remediarlos.. Actualmente, se utilizan plantas (fitorremediación) y. microorganismos. para remover metales pesados, como el mercurio.. Qu. Ciertas plantas que exhiben hiperacumulación, pueden usarse para remover estos metales de los suelos, por la concentración en biomateria [19].. ría. En la Tabla 3 se puede observar los metales pesados que suelen. nie. estar presentes en diferentes industrias.. Tabla 3. Metales pesados presentes en efluentes industriales.. In ge. Fe Mn Zn Cu Ni Hg Pb Cd Cr As Al Sn Sb X. Refinerías de petróleo. y. de. Pulpa papel. bli ot ec a. Textiles. Metalúrgicas. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. X. x. X. x. X. X. X. X. x. X. x. Bi. Mineras. X. X. x. Curtiembres Químicos orgánicos. X. X. X X. X. X. X. X. X. X. X. x. X. X. X. X. Fuente: Cavaco et al [20].. [7] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. OBTENCION DE ZEOLITAS A PARTIR DE CENIZAS VOLANTES:. UN T. 1.2. La composición química similar, de las cenizas volantes y algunas. rocas volcánicas, originó a que varios grupos de investigación, intenten. fabricar zeolita a partir de cenizas volantes [21, 22, 23, 24]. En general, los. procesos de síntesis de zeolitas, implican la adición de un agente cáustico, a Höller y. ica. la suspensión de cenizas volantes a altas temperaturas [25].. Wirsching [21], han utilizado cenizas volantes como materia prima, para la Luego un grupo de. ím. síntesis de zeolitas mediante el método hidrotérmico.. investigadores, han utilizado con éxito este proceso, variando la temperatura. Qu. hidrotérmica en el rango de 333-573 °K [22, 23, 24, 26]. Henmi [26] sintetizó hidroxi-sodalita, mediante el proceso hidrotérmico convencional, en el rango de temperaturas de 353-363 °K, con variación del tiempo de 3-24 h. Tuvo. ría. éxito, en convertir aproximadamente el 30% de la ceniza volante original, a hidroxi-sodalita, con alta capacidad de intercambio catiónico. Sin embargo,. nie. los intentos importantes en zeolitización de las cenizas volantes se. In ge. realizaron a partir de 1990.. 1.2.1. CENIZAS VOLANTES COMO MATERIA PRIMA: El desarrollo de la industria papelera, lleva asociado la generación de grandes volúmenes de subproductos y residuos industriales, que en la. de. mayoría de los casos, terminan en los vertederos, perdiendo su potencial como materias primas para otros sectores industriales [27].. bli ot ec a. Las cenizas volantes que quedan eliminadas en vertederos, siguen. causando una creciente amenaza para el medio ambiente, debido a su. estructura fina y elementos tóxicos. Una de las soluciones económicamente. viables, es la utilización de cenizas volantes como adsorbentes de bajo. costo, el cual. también ha sido ampliamente tratado para la limpieza de. Bi. gases de combustión [28, 29, 30] y para la eliminación de los metales tóxicos [31, 32, 33], los colorantes [34, 35], y los compuestos orgánicos [36], en las. [8] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. aguas residuales. Sin embargo, en esos casos, la ceniza volante todavía. UN T. exhibe baja capacidad de adsorción.. Las cenizas volantes de origen diferente estará sujeto a una. variación de sus propiedades, y esto podría tener efecto significativo en la zeolita [37].. Reardon y colaboradores [38], propusieron la adición de. ica. dolomita, CaMg(CO3)2 y cal viva, CaO o cal apagada, Ca(OH)2 a los. residuos sólidos industriales, tales como la ceniza volante, con el fin de características. alcalinas. concentración de boro en los lixiviados.. y de esta forma. reducir. la. ím. proporcionarles. Ocasionalmente, ellos se dieron. Qu. cuenta de que dicha adición convertía el material en una arcilla aniónica, aunque su principal interés era utilizar la técnica para reducir las concentraciones de boro en los lixiviados.. intercambio. iónico,. tamiz. ría. Las zeolitas se han encontrado en una amplia aplicación en molecular. y de. adsorción. nie. características estructurales y propiedades valiosas.. debido. a sus. La conversión de. cenizas volantes en zeolitas es un tema importante en el tratamiento de desechos, en los años recientes [39, 40, 41, 42, 43]. El método más común. In ge. usado para la obtención de zeolitas sintetizadas a partir de cenizas volantes, implica un proceso hidrotérmico, donde las cenizas volantes se mezcla con una solución de álcali tal como NaOH en las condiciones requeridas [41].. de. Hay actualmente varias tecnologías desarrolladas, para la utilización. de las cenizas volantes, incluyendo su uso como aditivo sustituto del cemento en concreto [44].. La conversión de cenizas volantes a zeolitas,. bli ot ec a. también ha sido propuesta como un método viable [39, 45]. Esto es no sólo para generar un adsorbente útil, sino también para aumentar el valor de las cenizas volantes [37].. Bi. 1.2.2. SINTESIS DE ZEOLITAS: Las zeolitas, son cristales micro porosos, aluminosilicatos hidratados,. que son construidos a partir de una infinita red tridimensional tetraédrica [9] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. extendida de [SiO4]4- y [AlO4]5-, vinculados entre sí por el intercambio de un. UN T. átomo de oxígeno. En general, su estructura puede considerarse como un polímero inorgánico, construido a partir de unidades tetraédricas de TO4, donde T es Si. 4+. o Al. 3+. de iones. Cada átomo de oxígeno (O) es compartido. ría. Qu. ím. ica. entre dos átomos T [46].. bli ot ec a. de. In ge. nie. Figura 2. Unidad estructural tetraédrica del ion ortosilicato.. Figura 3. Nesosilicato constituido por la unión de (a) dos tetraedros, (b) tres tetraedros, (c) cuatro tetraedros o (d) seis tetraedros.. Bi. Si bien las zeolitas se encuentran de forma natural, formadas a partir. de. procesos. geológicos,. en. la industria. se suele. utilizar. aquellas. sintetizadas, para conseguir maximizar las propiedades buscadas para una. [10] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. determinada aplicación.. Las zeolitas sintéticas se obtienen. en el. UN T. laboratorio, imitando las condiciones naturales de activación alcalina, es. decir mediante la cristalización de un gel a partir de agua, una fuente de sílice y una fuente de alúmina en medio alcalino.. El producto final viene. definido por su estructura cristalina, su relación Si/Al y su contenido en agua. de la temperatura,. presión, pH, y las. ica. Todo ello está en función. concentraciones de reactivos utilizados en la cristalización [37].. ím. La síntesis hidrotermal, ha permitido la obtención de más de un centenar de tipos de zeolitas diferentes, unos similares a los existentes en la. Qu. naturaleza y otros totalmente nuevos. En estas síntesis hidrotermales, el gel se suele mantener cierto tiempo por debajo de la temperatura de cristalización, en lo que se llama período de envejecimiento.. Durante esta. produce. por. las. ría. etapa tiene lugar la disolución o despolimerización de la sílice, la cual se condiciones. alcalinas. utilizadas. en. la. síntesis,. nie. consiguiéndose un aumento de la concentración de sílice en la disolución. Después de la despolimerización de la sílice, los aniones silicatos que se. In ge. forman condensan, dando lugar a especies oligoméricas en disolución [47]. En estas disoluciones alcalinas, los silicatos oligoméricos aniónicos, reaccionan con el aluminio, que se encuentra como Al(OH)4-, produciendo la estructura. del aluminosilicato.. Barrer, 1982 [48],. propuso. que la. de. condensación y la polimerización de estas unidades oligoméricas, son esenciales para la nucleación y crecimiento de las zeolitas.. El posterior. crecimiento de los cristales, tiene lugar a partir de los núcleos formados por. bli ot ec a. unión de los precursores, obteniéndose cristales de mayor tamaño. Las condiciones que han de satisfacerse para la síntesis hidrotermal. de las zeolitas, pueden resumirse en: • Materias primas muy reactivas, en forma de geles o sólidos amorfos.. Bi. • Elevados valores de pH, mediante la incorporación de un hidróxido alcalino y/o una base orgánica.. Escuela de Ingeniería Química. [11 ]. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. • Bajas temperaturas (T < 100 ºC) y presión atmosférica o altas. UN T. temperaturas (T< 300 ºC) y presión autógena.. • Alto grado de sobresaturación de los reaccionantes que conduzca a la formación de un elevado número de núcleos cristalinos [49].. ica. En los últimos años, se han desarrollado nuevos métodos para síntesis de materiales con la misma o similar estructura cristalina que las. ím. zeolitas ya conocidas, y en las que el aluminio y/o el silicio está total o parcialmente sustituidos por otros elementos: cobre, hierro, titanio, germanio,. Qu. galio, vanadio, etc.. Muchos trabajos han sido publicados, acerca de la síntesis de zeolita, pero todos informaron resultados diferentes; ya sea en las condiciones de. ría. síntesis, o del tipo de producto. Por ejemplo Rayalu et al. [50], investigaron el efecto de los parámetros de fusión de la reacción; tales como la relación de NaOH/cenizas volantes, la temperatura de fusión y el tiempo de. nie. cristalización. Así concluyeron, que una zeolita de tipo-Y se obtiene mejor, con una proporción de NaOH/ceniza volante de 1.2, la temperatura de fusión. In ge. de 600 °C y el tiempo de cristalización de 3,5 h.. Condiciones similares. fueron empleados por Somerset et al. [51], quienes informaron que la mejor condición, en proporción de NaOH/cenizas volantes es de 1.2, para el producto de zeolita de tipo-A.. Asimismo, diferentes tipos de zeolita fueron. de. obtenidos por Molina et al [52], quienes también informaron similares condiciones de síntesis; es decir la relación de NaOH/cenizas volantes de 1.2, la temperatura de 90 ºC y tiempo de cristalización de 2 h.. Este. bli ot ec a. resultado fue más familiarizado con la investigación de Keka et al [40], quienes obtuvieron una zeolita tipo-X con relación de NaOH/cenizas volantes. de 1.3.. Park y colaboradores [41], desarrollaron un nuevo método para. sintetizar la zeolita, bajo condiciones de sales fundidas, sin ninguna adición. Bi. de agua. Sin embargo, la zeolitización completa de las cenizas volantes, no. pudo lograrse por este método.. Probablemente,. debido a la baja. temperatura, y al contacto insuficiente del NaOH con las materias primas. El [12] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. producto de sal fundida, fue de morfología irregular, por ello las zeolitas no Por otra. UN T. fueron identificadas por sus formas morfológicas características.. parte, solo fueron observados policristales bien desarrollados en el producto hidrotermal.. Estos resultados indican que el crecimiento del cristal, en. estado de sal fundida, es algo limitado en comparación con los productos. ica. hidrotermales.. Posteriormente Doungmanee Rungsuk et al. [37], realizaron una. ím. investigación con las cenizas volantes, obtenidas de la quema del carbón, en la Central de suministro Nacional de Energía (National Power Supply, NPS).. Qu. Donde proveen electricidad a los procesos de pasta y papel en Tailandia. Este trabajo se dividió en dos partes: La primera parte destinada a la determinación óptima de la relación NaOH/ceniza volante; la síntesis se. ría. repitió en proporciones de 0.5, 1.25, 1.5, 1.75, 2.0, 2.25, 2.5 y 3 g/g.. La. segunda parte consistió en investigar, la temperatura y el tiempo, en el. nie. proceso de fusión. El rango de temperatura del horno fue examinado a 450, 550 y 650 º C; para el período de tiempo de 0.5, 1, 2 y 3 h. Los resultados evaluados, en base a sus valores de CEC a una condición de cristalización. In ge. de 90 °C y 2 h, reportaron que la relación más adecuada de NaOH/ceniza volante, fue de 2.25, y el valor máximo de la CEC se obtuvo a 154.7 meq/100g. Finalmente concluyeron, que las mejores condiciones de síntesis. de. de zeolita, fue a 450 ºC y 2 h, alcanzando una CEC de 220 meq/100 g. En la cristalización de las zeolitas, se producen diferentes reacciones. en un proceso complejo y heterogéneo [53]. implica. bli ot ec a. síntesis,. un gran número. Cada paso del proceso de. de especies. reactivas,. diferentes. solubilidades en la nucleación y numerosas reacciones de polimerización. [50,51]. Durante el proceso existen varios factores que son cruciales para la cristalización, tales como: la concentración, la naturaleza de los reactivos, la. Bi. temperatura de síntesis y el tiempo de cristalización [47].. Escuela de Ingeniería Química. [13 ]. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. 1.3. REMOCION DE IONES DE METALES PESADOS: Durante los últimos años, los métodos comunes para la remoción de iones. de metales. pesados,. en aguas. residuales. son: coagulación,. precipitación química, intercambio iónico, adsorción, y la ósmosis inversa.. La mayoría de estos métodos, no sólo requieren costes de capital,. ica. costes operativos, y gran cantidad de productos químicos, sino que también producen un problema, que es, cómo tratar los lodos de metales residuales.. ím. El método de intercambio iónico, es factible para la aplicación a gran escala y la resina se puede utilizar como un intercambiador de iones, que. Qu. tiene una alta selectividad, para la eliminación de iones de metales pesados. Generalmente la resina de metal saturado se incinera, para recuperar los metales pesados; sin embargo, el costo de este proceso de recuperación. ría. nunca podría ser ordenado en una aplicación a gran escala.. Entre estos. procesos, la técnica de adsorción empleando absorbentes sólidos, está bien. nie. establecida para el tratamiento de las aguas residuales industriales, que contienen metales pesados. Actualmente, el carbón activado, es uno de los adsorbentes más populares; sin embargo sufre la desventaja de costes en la. In ge. producción y regeneración. Por lo tanto, hay una necesidad de desarrollar adsorbentes de bajo costo y fácil regeneración, para la sustitución del carbón. de. activado y las resinas en purificación de aguas residuales industriales [54].. 1.3.1. PROCESO DE ADSORCIÓN:. bli ot ec a. Es el proceso en el cual las moléculas se concentran en una capa. interfacial, si las moléculas penetran al interior de la fase sólida, el proceso es conocido como ABSORCIÓN. El término SORCIÓN, generalmente es utilizado, cuando los procesos. de adsorción y absorción ocurren simultáneamente, y no se pueden. Bi. distinguir uno de otro; mientras que si la adsorción de una o varias especies. iónicas, es acompañada por la desorción simultánea de una cantidad. [14] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. equivalente de especies iónicas, el proceso se denomina como intercambio. UN T. iónico.. La representación esquemática de la adsorción, absorción e intercambio. In ge. nie. ría. Qu. ím. ica. iónico se puede observar en la Figura 4 [55].. de. Figura 4. Representación esquemática de los procesos de adsorción, absorción e intercambio iónico.. La adsorción, puede ser resultado de interacciones de Van der. Waals (adsorción física o fisisorción), o puede ser resultado de procesos de químico. bli ot ec a. carácter. (adsorción. químic.a. o. quimisorción);. la. diferencia. fundamental entre ambas, es que en el caso de la fisisorción, la especie adsorbida (fisisorbida) conserva su naturaleza química, mientras que durante la quimisorción,. la. especie. adsorbida. (quimisorbida). sufre. una. transformación, dando lugar a una especie distinta [56].. Bi. En el proceso de adsorción; intervienen las propiedades de los. compuestos que se requiere extraer, las características del adsorbente y las condiciones de contacto entre las fases fluida y sólida. Las propiedades del adsorbato, tales como: peso molecular, concentración, grupos funcionales, [15]. Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. solubilidad en el líquido; al igual que las propiedades del sólido adsorbente,. UN T. tales como: distribución de tamaño de poros y los grupos químicos de. superficie, entre otras; son determinantes en la mayor o menor afinidad del adsorbato por el sólido adsorbente [56].. El intercambio iónico, es el proceso donde un sólido insoluble,. ica. remueve iones de cargas positivas o negativas de una solución electrolítica, y transfiere otros iones de carga similar a la solución en una cantidad. ím. equivalente. Este proceso ocurre sin que existan cambios estructurales en el sólido.. El intercambio iónico es uno de los métodos, considerado como. aguas residuales; un intercambiador. Qu. exitoso y conveniente, para la remoción de metales pesados presentes en iónico, es un sólido capaz de. intercambiar tanto cationes, como aniones presentes en su estructura, por. ría. los presentes en una solución que los rodea; si los sólidos intercambian iones positivos (cationes), se denominan intercambiadores catiónicos, e intercambiadores aniónicos, si intercambian iones negativos (aniones).. La. nie. desventaja de este método es que no puede ser aplicado a soluciones demasiado concentradas, ya que la matriz se satura y es muy sensible a las. 1.3.2.. In ge. variaciones de pH [57].. ADSORCIÓN CON ZEOLITAS Y SU REGENERACIÓN:. Las zeolitas tienen una propiedad útil derivada de su estructura, el. de. agua puede pasar fácilmente por los canales y en este proceso los iones en solución pueden ser cambiados por los iones de la estructura mediante el. bli ot ec a. proceso de intercambio iónico.. Se puede generalizar que a ratios Al/Si. superiores la capacidad de intercambio de las zeolitas será mayor. [37] La red cristalina de las zeolitas tiene una deficiencia de carga, la. cual es balanceada por cationes, generalmente alcalinos o alcalinotérreos de naturaleza intercambiable.. La gran estabilidad térmica presentada por. Bi. algunas zeolitas facilita convertirlas en sólidos ácidos. Su naturaleza micro porosa y su alta selectividad hacia especies iónicas permiten utilizarlas en. [16] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. procesos de recuperación de aguas radioactivas, en el tratamiento de aguas. UN T. residuales municipales, industriales, agrícolas y de acuicultura [58].. El comportamiento de intercambio catiónico [59, 60] en las zeolitas depende:. ica. del tamaño y forma de los iones,. de la valencia y densidad de carga de los iones,. ím. de la temperatura de la solución, de la concentración del catión en la solución, Las. propiedades. como. Qu. del solvente.. adsorbente. de. las. zeolitas,. son. principalmente atribuidas a su estructura tridimensional, con largos canales Esta carga negativa,. ría. que contienen sitios cargados negativamente.. generada por el reemplazo de Si4+ y Al3+, es balanceada por el intercambio. nie. de cationes divalentes, tales como: sodio, calcio y magnesio, en el interior de su estructura, los cuales pueden ser intercambiados a su vez por metales. [61].. In ge. En la Tabla 4 se puede observar la capacidad de adsorción de metales pesados en distintos tipos de zeolitas. Tabla 4. Capacidades de adsorción (mg/g) de metales pesados en distintos. Bi. bli ot ec a. de. tipos de zeolitas.. [17] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La posible aplicación industrial, del material zeolítico obtenido,. UN T. varía en función al tipo de zeolita prevalente. Por ejemplo, la zeolita tipo-X. tiene un tamaño de poro grande (7.3 A) y una alta CEC (5 meq/g); que. hacen de este tipo de zeolita, un interesante tamiz molecular y un material de alta capacidad de intercambio catiónico. Sin embargo, el tamaño de poro. ica. pequeño de la hidroxi-sodalita (2.3 A), representa un bajo potencial de aplicación, tanto para el tamizado molecular e intercambio iónico [62].. ím. En la Universidad de Concepción, Chile [63], se han realizado estudios preliminares de remoción de cromo y mercurio, utilizando zeolitas Emplearon las zeolitas sintéticas tipo-4A y NaX, y. Qu. naturales y sintéticas.. zeolitas naturales Cubanas (70% clinoptilolita), Mexicanas (80% erionita) y Chilenas (mezcla de mordenita y clinoptilolita). Para ello realizaron estudios. ría. de la velocidad y la capacidad de retención de Cr(III) y Hg(II), en las zeolitas indicadas. Además, realizaron un diseño experimental factorial fraccionado;. nie. con el fin de observar la influencia de algunos parámetros del intercambio iónico, tales como: La temperatura (35–50 °C), concentración (200-400 ppm), tamaño de partícula (0.5-1.5 mm) y pH del medio (3.5-4.8).. In ge. Encontrándose, que la variable más significativa en el proceso de remoción, fue el pH. Esto es probablemente a causa de los diferentes complejos de Cr (III), que predominan en la solución.. de. Hui et al. [19], investigaron la capacidad de eliminación y la. secuencia de selectividad de iones de metales pesados mixtos, en solución acuosa de: zeolita A pura; preparada de ceniza volante, zeolita comercial de. bli ot ec a. grado A, y los productos residuales reciclados a partir de cenizas volantes.. Ellos encontraron, que los datos de equilibrio de las cenizas volantes tratadas y zeolitas A de grado comercial, se ajustaron mejor por el modelo de Langmuir, el cual mostró este orden de afinidad: Cu2+ > Cr3+ > Zn2+ > Co2+ > Ni2+. Sin embargo, no se realizaron estudios sobre la recuperación. Bi. de metales pesados y regeneración de los adsorbentes usados. Slavee y Pickering [64], estudiaron los efectos del pH en la. retención de Cu, Pb, Cd y Zn empleando mezclas de arcillas (caolinitas, [18] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. illitas y montmorillonitas), encontrando que éstas retenían los metales en un. UN T. intervalo de pH entre 3 y 6.. A continuación otro estudio más completo desarrollado por Wang Chunfeng et al [54], exploraron la posibilidad de utilizar zeolitas sintéticas en. forma pura, a partir de cenizas volantes, para eliminar y recuperar iones de Los iones de cobre y zinc, fueron elegidos como iones. metálicos, objeto para los estudios de adsorción.. ica. metales pesados.. Antes de la síntesis, la. ácido al 10% de HCl.. ím. ceniza volante en bruto, fue tratada previamente por proceso de lavado El reporte manifestó lo siguiente: Los estudios. comparativos mostraron que la zeolita A, fue más eficaz en la eliminación de y Zn2+, en comparación a la zeolita X.. Qu. 2+. iones metálicos de Cu. Los. adsorbentes estudiados fueron: Zeolita A de cenizas volantes (ZA-CV),. ría. Zeolita A de ceniza volante residual (ZA-CVR) y zeolita de grado comercial. Para los tres adsorbentes, la mayor eficiencia de remoción, fue obtenida para Cu2+ (99,73%, 89,56% y 99,12%), en comparación con Zn2+ (93,16%, Las isotermas de adsorción del adsorbente ZA-CV,. nie. 81,45% y 96,09%).. mostraron que el proceso de adsorción, podría ser mejor desarrollado por la Así concluyeron, que la recuperación de iones. In ge. ecuación de Langmuir.. metálicos podría lograrse, usando solución de NaCl al 5% como eluyente; y el adsorbente de ZA-CV pueden ser reciclados después del proceso de regeneración.. de. La zeolita inactiva puede regenerarse, lavando el lecho con una. solución concentrada de cloruro de sodio; la zeolita puede utilizarse casi indefinidamente alternando el uso y la regeneración con la solución de. bli ot ec a. cloruro de sodio y el lavado. Siempre hay que reponer una cierta cantidad. de zeolita ya que se desintegra cierta cantidad, especialmente si se utiliza agua caliente o si se deja que la zeolita se agote demasiado antes de la. Bi. regeneración [54].. [19] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. 1.4. OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA PRESENTE INVESTIGACION: Se planteó en el presente trabajo, la fabricación de un material zeolítico, a partir de las cenizas volantes, para remover cationes metálicos,. dándole así un valor agregado a este residuo sólido, manejándose bajo la. ica. siguiente interrogante: ¿Cómo influye el uso de NaOH en la obtención de zeolitas a partir de cenizas volantes, para la remoción de cationes metálicos Cu2+ y Pb2+, en efluentes acuosos?,. dándose como posible. ím. respuesta que si existe una proporción definida de NaOH con ceniza volante, que permite obtener una zeolita de alta capacidad de adsorción de Cu2+ y. Qu. Pb2+, en efluentes acuosos, mediante un proceso de fusión alcalina e hidrotérmico.. ría. De este modo, se utiliza un residuo sólido, para transformarlo en un material útil, y emplearlo en los efluentes acuosos, para la remoción de metales pesados, que son producto de su contaminación. Aportando, con el. nie. desarrollo de esta investigación, de manera positiva en el impacto ambiental, mejorando la salud de los seres vivos, y el equilibrio del medio ambiente.. a.. In ge. Para ello se trazó los siguientes objetivos: Objetivo General. Experimentar con diferentes proporciones de NaOH/cenizas,. de. para la obtención de zeolitas adsorbentes de cationes metálicos Cu2+ y Pb2+, a partir de las cenizas volantes procedentes del. bli ot ec a. caldero de la planta papelera TRUPAL S.A.. b. Objetivos Específicos: Estudiar la influencia de la proporción de NaOH/ceniza volante, en la obtención de zeolitas.. Bi. Determinar la máxima eficiencia de adsorción de cationes metálicos Cu2+ y Pb2+.. [20] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Evaluar la eficiencia de recuperación de cationes metálicos, en. UN T. la regeneración de adsorbentes.. Promover la disminución del impacto ambiental en las industrias. papeleras peruanas, utilizando su residuo industrial nocivo (cenizas volantes) para convertirlo en material útil (zeolita), para. Bi. bli ot ec a. de. In ge. nie. ría. Qu. ím. ica. purificación de aguas contaminadas con metales pesados.. [21] Escuela de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Trujillo. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.