Universidad Nacional del Centro del Perú
Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química
Adsorción de plomo (Pb) y cobre (Cu) con biomasa de la
cáscara de plátano “Musa paradisiaca” en efluentes de la
unidad minera Carahuacra, Yauli - La Oroya
Chalco Quilca, Yanina
Huancayo
2018
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
Yanina Chalco Quilca
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
Huancayo - Perú
2018
Adsorción de plomo (Pb) y cobre (Cu) con biomasa de la
cáscara de plátano “Musa paradisiaca”, en efluentes de la
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL
PERU
ESCUELA
DE POSGRADO
uNtDAD
DE
poscRADo
DE
LA FAcULTAD
DE
INGENIEnh
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TESIS
Adsorción
de
plomo
(Pb) y
cobre
(Gu)
con
biomasa de la
cáscara de
plátana "M,rsa
paradisiaca'en
efluentes
de la
unidad minera Garahuacra,
Yauli
- La Oroya
PRESENTADA POR:
Yanina Chalco
Quilca
PARA OPTAR EL GRADO ACAOÉMICO
OT:
IIIIAESTRA
EN
]NGEñIERíA AilIBIENTAL
APROBADA POR EL JURADO §IGUIENTE:
PRESIDENIE: SECRETARIO PRIMER MIEMBRO: SEGUNDO MIEIIBR& TERCER MIEMBRE ASESOR DE TESIS:
Ms. Jaime Benjamín Vera Rodríguez
Huancayo. 27 de ocfuüte de mt8
Dr" Moisés Enrigue
iii
ASESOR
iv
DEDICATORIA
v
AGRADECIMIENTO
A Dios por permitirme alcanzar un objetivo más, a través del apoyo de
personas que han contribuido de una u otra manera en mi formación académica y la materialización de este trabajo de investigación.
Al Ms. Henrry Raúl Ochoa León por su asesoría en el desarrollo del presente trabajo de investigación.
A mis profesores de la Maestría por sus orientaciones y conocimientos impartidos.
A cada uno de los docentes y el personal administrativo de la FIQ - UNCP,
vi
ÍNDICE GENERAL
CARÁTULA i ASESOR iii DEDICATORIA iv AGRADECIMIENTO v ÍNDICE GENERAL vi ÍNDICE DE TABLAS ix ÍNDICE DE FIGURAS x RESUMEN xii ABSTRACT xiii INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO I 1. MARCO TEÓRICO1.1 Antecedentes o marco referencial 3 1.2 Bases teóricas y conceptuales 5 1.2.1 Agua contaminada por metales pesados 5
1.2.2 Metales pesados 6
1.2.3 Importancia del análisis de los metales pesados 11 1.2.4 Fuentes de emisión y generación de metales pesados 12
1.2.5 Adsorción 12
1.2.6 Biosorción 14
1.2.7 Tipos de adsorción 15
vii
1.2.11Sorbente 22
1.2.12Desorción 22
1.2.13Naturaleza de los adsorbentes: 23 1.2.14Biomasa: Cáscara de plátano (Musa paradisiaca) 24 1.2.15Parámetros que influyen en el proceso de adsorción 28 1.3 Definición de términos básicos 29 1.4 Hipótesis de la investigación 30
1.4.1 Hipótesis general 30
1.4.2 Hipótesis específicas 30
1.5 Operacionalización de las variables 31 CAPÍTULO II
2. DISEÑO METODOLÓGICO
2.1 Tipo y nivel de investigación 32
2.2 Método de investigación 32 2.2.1 Metodología experimental 33 2.3 Diseño de la investigación 41 2.4 Población y muestra 42 2.4.1 Población 42 2.4.2 Muestra 42 2.4.3 Técnica de muestreo 42
2.5 Técnicas e instrumentos de recopilación de datos 43 2.6 Técnica de procesamiento de datos 43
CAPÍTULO III
3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1 Presentación, análisis e interpretación de los datos 44
viii 3.1.2 Caracterización de la materia prima (cáscara de plátano) 44 3.1.3 Determinación de grupos funcionales presentes en la cáscara de
plátano 45
3.1.4 Análisis e interpretación de datos 46
3.2 Discusión de resultados 52
3.3 Proceso de la prueba de hipótesis 62 3.3.1 Análisis de hipótesis para el Pb (II) 63 3.3.2 Análisis de hipótesis para el Cu (II) 67
CONCLUSIONES 71
RECOMENDACIONES 73
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 74
ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Composición química del plátano 25
Tabla 2. Elementos y compuestos orgánicos en la cáscara de plátano 36
Tabla 3. Concentración de plomo (Pb) en los tratamientos experimentales 47 Tabla 4. Concentración de cobre (Cu) en los tratamientos experimentales 48
Tabla 5. Porcentaje (%) de remoción de plomo (Pb) en los tratamientos
experimentales 49
Tabla 6. Porcentaje (%) de remoción de cobre (Cu) en los tratamientos
experimentales 51
Tabla 7. Caracterización del efluente minero de la unidad minera Carahuacra, distrito de Yauli – La Oroya 53
x
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Tipos de isotermas de adsorción según Giles et al. (1974). (a) Isoterma tipo C, (b) Isoterma tipo L, (c) Isoterma tipo H,
(d) Isoterma tipo S 19
Figura 2. Partes de la platanera 25
Figura 3. Imagen satelital del lugar de estudio 33
Figura 4. Secado de las cáscaras de plátano en el horno 35
Figura 5. Partículas pequeñas de cáscara de plátano después del tamizado 36 Figura 6. Pesado del adsorbente en la balanza analítica 37
Figura 7. Pesado del adsorbente a 1 gramo y 2 gramos 37
Figura 8. Toma de una alícuota de 10 mL para el análisis por ICP de masas 38 Figura 9. Toma de alícuotas de 100 mL de la muestra de agua del efluente
de la unidad minera Carahuacra 38
Figura 10. Agitadores magnéticos a 400 RPM a temperatura ambiente 38
Figura 11. Adición HCl a 0,1 M para variar el pH según el diseño experimental 39 Figura 12. Modificación del pH a 2 y 3 con HCl en las pruebas experimentales 40 Figura 13. Adición del adsorbente en cada vaso de precipitación 40
Figura 14. Agitación de pruebas experimentales con el adsorbente a 400 RPM 41 Figura 15. Filtración de las soluciones, y toma de alícuotas de 10 mL para el
análisis por absorción atómica 41
Figura 16. Imagen satelital de la unidad minera Carahuacra, ubicado en el distrito de Yauli – La Oroya 43
Figura 17. Análisis elemental de la cáscara de plátano. 44
Figura 18. Espectrofotometría de infrarrojo de la cáscara de plátano usada para el proceso de adsorción de plomo y cobre 46
Figura 19. Concentración final de plomo (Pb) por tratamientos experimentales 47 Figura 20. Concentración final de cobre (Cu) por tratamientos experimentales 49 Figura 21. Porcentaje (%) de remoción de plomo (Pb) por tratamientos
experimentales 50
Figura 22. Porcentaje (%) de remoción de cobre (Cu) por tratamientos
xi
Figura 23. Concentración de Pb y Cu (ppm) 52
Figura 24. Porcentaje (%) de remoción de Pb y Cu (ppm) 56
Figura 25. Concentración de Pb en relación de la dosis y el pH 56
Figura 26. Concentración de Cu en relación de la dosis y el pH 58
Figura 27. Gráfico de interacción para Pb (II) 59
Figura 28. Gráfico de interacción para Cu (II) 59
Figura 29. Efectos Pareto para Pb (II) 65
Figura 30. Diagrama de probabilidad normal 65
Figura 31. Gráfico de efectos principales para Pb (II) 66
Figura 32. Gráfico de cubo (medio ajustado) para Pb (II) 67
Figura 33. Efectos Pareto para Cu (II) 68
Figura 34. Diagrama de probabilidad normal 69
Figura 35. Gráfico de efectos principales para Cu (II) 70
xii
RESUMEN
La cáscara de plátano “Musa paradisiaca” como biomasa se utilizó para investigar la bioadsorción de Pb (II) y Cu (II) a partir de una solución acuosa proveniente del efluente de la unidad minera Carahuacra, ubicada en el distrito de Yauli – La Oroya. El cual fue caracterizado químicamente con tres muestras mediante el método de ICP OES (Espectrofotómetro de Emisión Óptico) obteniendo el resultado promedio de la concentración de 40,49 ppm de Al; 2,56 ppm de As; 0,04 ppm de Cd; 0,00 ppm de Cr; 12,69 ppm de Cu; 638,18 ppm de Fe; 21,00 ppm de K; 70,58 ppm de Mg; 62,41 ppm de Mn; 12,57 ppm de Na; 18,72 ppm Pb; 1,07 ppm de Sr y 200,25 ppm de Zn. Los experimentos demostraron que la concentración de plomo (II) inicial de 18,72 ppm fue adsorbido hasta 0,61 ppm Pb del efluente, a las condiciones de pH de 3, con un tiempo de contacto de 2 horas y una dosis de 1 gramo de adsorbente; lo cual corresponde a un porcentaje de remoción de 96,72%, siendo éste la mayor remoción de todos los tratamientos. Mientras que la concentración inicial del Cu (II) de 12,69 ppm fue adsorbido hasta 0,47 ppm de Cu, del efluente a las condiciones de pH de 3, con tiempo de 1 hora y una dosis de 2 gramos de adsorbente; lo cual corresponde a un porcentaje de remoción de 97,47%, siendo éste la mayor remoción de todos los tratamientos.
xiii
ABSTRACT
The banana peel (Musa paradisiaca) as biomass was used to research the bio-adsorption of Pb (II) and Cu (II) from an aqueous solution coming of the effluent from the Carahuacra Yauli - La Oroya Mining Unit. Which was chemically characterized with three samples by the ICP OES method (Optical Emission Spectrophotometer) obtaining the average result of the concentration of 40,49 ppm Al; 2,56 ppm of As; 0,04 ppm of Cd; 0,00 ppm Cr; 12,69 ppm Cu; 638,18 ppm Fe; 21,00 ppm K; 70,58 ppm Mg; 62,41 ppm Mn; 12,57 ppm Na; 18,72 ppm Pb; 1,07 ppm of Sr and 200,25 ppm of Zn. The experiments showed that the initial lead (II) concentration of 18,72 ppm was adsorbed to 0,61 ppm Pb of the effluent, at pH conditions of 3, with a contact time of 2 hours and a dose of 1 gram of adsorbent; which corresponds to a removal percentage of 96,72%, this being the highest removal of all treatments. While the initial Cu (II) concentration of 12,69 ppm, it was adsorbed to 0,47 ppm Cu, from the effluent at the pH conditions of 3, with time of 1 hour and a dose of 2 grams of adsorbent; which corresponds to a removal percentage of 97.47%, this being the highest removal of all treatments.
Key words: Adsorption, Musa paradisiaca, removal.
1
INTRODUCCIÓN
Entre los problemas ambientales de mayor preocupación se encuentra la contaminación de cuerpos de agua por efluentes industriales con concentraciones altas de metales pesados; tales como el plomo y el cobre. El plomo, además es considerado un metal tóxico, con capacidad de bioacumularse en el organismo de los animales y vegetales, y consecuentemente, ingresar a través de la cadena alimenticia al organismo humano, provocando efectos adversos sobre la salud, tales como: problemas neurológicos, renales, cardiovasculares, entre otros, (Alessio, 1983). Respecto al cobre, si bien es considerado un micronutriente importante para el mantenimiento de muchas estructuras orgánicas, que se encuentra distribuido en diversas formas en el ambiente; no obstante, es considerado como un metal tóxico si se encuentra acumulado en elevadas concentraciones en el organismo, provocando efectos negativos sobre el sistema nervioso, asimismo, podría aumentar el riesgo de desarrollar alzhéimer, trastorno neurodegenerativo caracterizado por la pérdida progresiva de la memoria (Leiva & Palestini, 2012).
Entre las principales fuentes de contaminación por metales pesados al ambiente, se encuentran las actividades mineras-metalúrgicas, las actividades industriales (como la producción de pinturas, textiles, cemento, curtiembre, galvanoplástica), la generación de energía no renovable; entre otros; que en caso de no realizar un manejo ambiental adecuado de sus efluentes pueden llegar a impactar los recursos hídricos (Tejada, Villabona, & Garcés, 2015).
Actualmente, existen diversos métodos de tratamiento para efluentes industriales, con el objetivo de reducir la concentración de metales presente en el agua residual hasta niveles que no afecten la salud y la calidad ambiental; sin embargo, muchos de los tratamientos tienen costos elevados; y en algunos casos, utilizan sustancias químicas (como sulfato de aluminio, policloruro de aluminio, o cloruro férrico) para promover la precipitación química; que conlleva a generar residuos potencialmente tóxicos.
3
CAPÍTULO I
1.
MARCO TEÓRICO
1.1 Antecedentes o marco referencial
Entre los trabajos de investigación en relación a la bioadsorción de metales se encuentra el de (Muñoz, 2007), quien investigó respecto a la bioadsorción de plomo (II) empleando como bioadsorbente las cáscaras de naranja “Citrus cinensis”, pretratadas mediante la reticulación con una solución de CaCl2 (0,2 M), que se ajustó a pH = 5 (medio ácido) usando una
solución de HCl (0,05 M); para lo cual el sistema fue sometido a constante agitación por un periodo de 24 horas. Luego las cáscaras previamente tratadas fueron secadas a 40 °C por 24 horas y reducidas hasta obtener partículas de 180 – 250 µm. De los ensayos que se realizaron sobre el efecto del pH en la bioadsorción de plomo (II) con cáscaras de naranja pretratadas en sistemas tipo batch, el óptimo rango de pH fue de 4,5 a 5. Asimismo, el estudio de la cinética del proceso de bioadsorción, determinó que a las 4 horas del inicio del proceso de bioadsorción se alcanzó el equilibrio, con un porcentaje del 40 % de adsorción de plomo (II); los resultados fueron procesados empleando las ecuaciones de Langmuir y Freundlich; obteniendo como capacidad máxima de bioadsorción 141,05 mg/g de plomo (II) por cáscara de naranja pretratada.
4 demostraron que la bioadsorción de cromo hexavalente con cáscara de plátano provee una alternativa eficiente y económica para el tratamiento de aguas residuales.
Asimismo, (Tejeda, Tejeda, Marimón, & Villabona, 2014) investigaron la capacidad de adsorción del cromo hexavalente - Cr (VI) a partir de la modificación de carbón activado y recubrimiento con quitosano de la biomasa lignocelulosa de las cáscaras de naranja y plátano. Para caracterizar los grupos funcionales en las biomasas seleccionadas para los procesos de bioadsorción, realizó un análisis elemental (C-H-O-N) y espectroscopia de infrarrojo (IR); y en el caso del carbón activado determinó su área superficial aplicando el método BET. Además, el contenido de Cr (VI) en solución se determinó mediante espectrofotometría UV-Vis. De los experimentos realizados empleando como bioadsorbentes las cáscaras de naranja y plátano se obtuvo una remoción de Cr (VI) de 66,6 y 93 ppm, respectivamente; y con los carbones activados se logró una remoción de 85 y 95 ppm; mientras que, con las biomasas modificadas con quitosano la adsorción fue de 61,24 y 88,2 ppm. En este trabajo experimental la cinética de adsorción estuvo representada por la ecuación “Pseudo segundo orden”, además, el estudio permitió determinar que el efecto de competitividad bimetálica fue afectada principalmente por iones de Ni seguido por los iones de Pb.
5 porcentaje de remoción (66,8%) en comparación que la cáscara de naranja modificada con quitosano (61,24%); asimismo, se concluye que cuando el pH disminuye y se incrementa la concentración de material bioadsorbente, la efectividad de la adsorción por parte de estas dos biomasas aumenta. Como en otras investigaciones, el modelo cinético “Pseudo-segundo orden” es el que mejor se ajustó para el análisis de los resultados de las dos biomasas estudiadas, mientras que el proceso de adsorción fue descrita mejor mediante la isoterma de Langmuir.
1.2 Bases teóricas y conceptuales
1.2.1 Agua contaminada por metales pesados
Las efluentes industriales sin tratar o tratados deficientemente incorporan a los cuerpos de agua sustancias potencialmente tóxicas, como los metales pesados (plomo, mercurio, cadmio, cromo, cobre, zinc, u otros); los mismos que presentan alta movilidad en ecosistemas acuáticos y debido a su capacidad de bioacumularse, el consumo frecuente de cantidades bajas, con el tiempo puede ocasionar elevadas concentraciones de estos metales en los tejidos de organismos vivos, lo cual se conoce como biomagnificación. Consecuentemente, los peces que habitan en aguas contaminadas y forman parte de la dieta alimenticia, se convierten en potenciales agentes tóxicos para la salud humana (Cañizares, 2000).
6
1.2.2 Metales pesados
Se refiere a cualquier elemento químico metálico que tenga una densidad relativa alta; y que posea propiedades tóxicas o venenosas en concentraciones relativamente bajas. Los ejemplos de metales pesados incluyen al mercurio (Hg), cadmio (Cd), arsénico (As), cromo (Cr), talio (Tl), plomo (Pb), entre otros; estos metales pesados son componentes naturales de la corteza terrestre, por tal razón, no pueden ser descompuestos o destruidos. En forma de trazas (< 50 ppm) se adhieren a nuestro cuerpo por distintas vías: a través de los alimentos, el consumo de agua o mediante la respiración de aire contaminado. Cabe señalar que, que algunos metales pesados son considerados además elementos traza (por ejemplo: zinc, hierro, cobre, manganeso, entre otros) fundamentales para el desarrollo de los seres vivos en determinadas concentraciones; sin embargo, una mayor concentración de dichos metales puede resultar perjudicial, ocasionando envenenamiento e inclusive la muerte (Vásconez, 2012).
7 puede encontrar fuentes de metales pesados formando normalmente compuestos estables; existen diversas actividades antropogénicas, como la minería, actividades industriales, la agricultura, ganadería, y tráfico automovilístico, que constituyen potenciales fuentes de contaminación de metales pesados al ambiente (Rodríguez, 2005).
a) Plomo
El plomo (Pb) se clasifica como un metal pesado (densidad relativa igual a 11,35 g/ml), se caracteriza por ser de color gris azulino a gris mate, se encuentra en forma natural en pequeñas cantidades (0,00002 % de la corteza terrestre), su punto normal de ebullición es de 1 770 ºC y su punto normal de fusión es de 327,4 ºC. Sus estados de oxidación son +2 y +4, a partir de los cual puede formar diversos compuestos químicos, siendo los más comunes los formados con estado de oxidación +2. Además, el plomo es un anfótero, por lo que puede formar sales plumbosas y plúmbicas, así como plumbitos y plumbatos (Alvarado & Gómez, 2013)
Respecto a las fuentes de plomo en el ambiente es importante señalar que dicho metal se puede encontrar “en depósitos de minerales, siendo el mineral más común y extensamente explotado la galena (PbS), que se utiliza como fuente de obtención del plomo. El contenido de plomo en el mineral extraído directamente varía de 3-10%” (Alessio, 1983, p. 109). Otros minerales que presentan plomo en su composición son la anglesita (PbSO4, sulfato de plomo); así como, la cerusita
(PbCO3, carbonato de plomo).
8 soldaduras, cables), equipos de protección contra los rayos X, producción de insecticidas, entre otros (Alvarado & Gómez, 2013), (Manahan, 2007) .
Contaminación del agua por plomo
Existen diversos medios por los cuales el plomo puede ingresar a fuentes de agua; no obstante, es importante señalar que la contaminación del agua por este metal se origina por sus sales solubles, que son generadas por diversas actividades. Entre las principales fuentes de contaminación por plomo se encuentran las actividades minero-metalurgicas, y actividades industriales, que generan efluentes con elevadas concentraciones de plomo, que requieren ser tratados antes de su descarga a los cuerpos de agua. Además, entre otras fuentes de contaminación de plomo se tiene, la deposición aérea de residuos de plomo emitidos a la atmósfera en los gases de combustión del parque automotor; los humos no depurados de incineración del carbón; algunas industriales que emplean alguna forma de plomo como insumo; residuos comerciales, domésticos y agrícolas (Manahan, 2007).
9
Plomo en la salud humana
Respecto al efecto del plomo en la salud humana, cabe precisar que “la adsorción del plomo depende del estado de salud, nutrición y edad de la persona; y la forma más común de ingreso de plomo al organismos es la ingestión de alimentos o agua contaminados” (Poma, 2008, p. 121).
Además, el plomo no cumple ninguna función en el organismo, por lo que su importancia en las investigaciones vinculadas a la salud, se debe a sus propiedades tóxicas (Ramos & Awad, 1990). En relación a los niveles tóxicos de plomo en sangre el Centro de Prevención y Control de Enfermedades “recomienda intervención profesional en muestra sanguínea de adultos (mayores de 16 años) con concentraciones mayores a 10 ug/dL; y en muestra sanguínea de niños con concentraciones mayores 5 ug/dL” (Azcona-Cruz, Ramírez, & Vicente-Flores, 2015, p. 74). En relación a ello se han reportado que “embarazos con niveles elevados de plomo en la sangre tienen un riesgo mayor de partos prematuros, abortos espontáneos, muertes fetales” (Poma, 2008, p. 122).
Asimismo, a nivel de salud ocupacional se han registrado casos de intoxicación por plomo agudas y crónicas, donde los síntomas se van agravando a medida que la concentración de plomo en la sangre se incrementa como resultado del alto nivel de exposición; y en algunos casos las intoxicaciones crónicas producen problemas epidemiológicos severos (Cruz-Guzmán, 2007). Una vez que el plomo ingresa al organismo puede perjudicar diversos órganos y sistemas; debido a que “actúa como antagonista de las acciones del calcio y se relaciona con proteínas que poseen los grupos sulfidrílicos, amina, fosfato y carboxilo” (Poma, 2008, p. 122).
b) Cobre
10 de los mejores conductores de la electricidad (…). Las aleaciones de cobre más importantes son el bronce (una aleación de Cu y Sn) y el latón (una aleación de Cu y Zn)” (Zhang, 2015, p. 3).
El Cu se encuentra distribuido en el ambiente, principalmente en forma de sulfatos, carbonatos, o sulfuros de hierro y cobre; no obstante, “la mayor parte de las reservas de Cu están contenidos en yacimientos del tipo pórfido de cobre-molibdeno o cobre-molibdeno-oro. Otra parte de las reservas están en yacimientos del tipo óxidos de hierro-cobre-oro” (Zhang, 2015, p. 11).
Además, el cobre es un metal altamente duradero debido a que puede ser reciclado sin perder sus propiedades mecánicas, y también puede llegar a ser un potencial contaminante del ambiente, como consecuencia de las actividades humanas, tales como: procesos metalúrgicos, fundiciones, fuentes de emisión industrial, el parque automotor, distintos materiales de desecho de la actividad humana (botaderos y rellenos sanitarios), las actividades agrícola y ganadera, entre otros, que modifican la concentración de Cu en el suelo y agua (Purves, 1985).
El cobre en el organismo
Es importante mencionar que el cobre es un elemento traza esencial para la salud de los seres vivos, por lo cual su absorción en el organismo es necesaria (Leiva & Palestini, 2012).
11 Sin embargo, debido a que en la actualidad el Cu presenta diversos usos industriales para la fabricación de equipos eléctricos; materiales de construcción, utensilios, pinturas, maquillaje, entre otros; asimismo, es utilizado en pesticidas y fungicidas (Repetto & Sanz, 2012); existe un riesgo potencial de ingesta de cobre en cantidades tóxicas para el organismo, por exposición en los ambientes de trabajo, a través de alimentos, bebidas u otros medios.
En consecuencia, a pesar de que el organismo del ser humano puede manejar concentraciones variables de Cu, el exceso de este elemento puede también causar problemas de salud, a nivel del sistema nervioso, que puede estar vinculada a problemas como el Alzheimer, Parkinson y esclerosis lateral amiotrófica (ELA) (Leiva & Palestini, 2012)
1.2.3 Importancia del análisis de los metales pesados
El agua tiene la propiedad de disolver un gran número de sustancias tanto orgánicas como inorgánicas, dependiendo de su solubilidad; por lo cual, es considerada como un solvente universal. Y conforme se describió en los acápites anteriores, los metales pesados se encuentran distribuidos en el ambiente en forma de reservas geológicas y constituyen fuente de una gran diversidad de iones con potencial a disolverse en las aguas. Cabe precisar que normalmente en condiciones naturales los metales pesados en el agua, se hallan en niveles muy bajos (trazas), siendo en algunos casos necesarios para el correcto desarrollo de los organismos vivos que dependen de estas aguas (Mancilla, y otros, 2017).
12 humana debido a la bioacumulación de metales pesados en las plantas y animales (Mancilla, y otros, 2017).
1.2.4 Fuentes de emisión y generación de metales pesados
Los metales se encuentran de manera natural en la corteza terrestre; sin embargo, los que contaminan en mayor proporción son los expuestos al medio ambiente producto de las actividades humanas. Siendo la minería una de las principales fuentes potenciales de contaminación de metales pesados debido a la remoción de grandes cantidades de material, refinamiento de metales preciosos o las emisiones industriales y descargas de efluentes al ambiente, que afectan al aire, agua y suelo; por lo tanto, la inadecuada disposición de estos residuos metálicos viene ocasionando la contaminación del suelo, agua superficial y subterránea (Heredia, 2017).
Por lo tanto, los fenómenos naturales y las actividades antropogénicas contribuyen a la emisión de elementos metálicos al ambiente; no obstante, en la actualidad las fuentes de emisión de metales pesados están estrechamente relacionadas con las aplicaciones de estos en industrias o procesos, donde realizan la explotación y beneficio de dichos metales como productos finales o que requieren de su uso como parte de los insumos, y son precisamente dichas actividades las que pueden llegar a liberarlos mediante sus emisiones, efluentes o residuos sólidos, contaminando el ambiente, de no ser previamente tratados de manera efectiva mediante métodos físicos, químicos o biológicos.
1.2.5 Adsorción
13 el proceso tanto físico como químico de acumular una sustancia en la interface entre la fase liquida y sólida (Lesmana & Febriana, 2009). La adsorción de un soluto en un fluido acuoso se desarrolla mediante las siguientes etapas; el fluido atraviesa alrededor de las partículas adsorbentes y el soluto del fluido se difunde hacia toda la superficie exterior de las partículas del material adsorbente; después el soluto desde el interior de los poros se difunde hasta la superficie de los mismos; finalmente, el soluto es adsorbido en la superficie del material adsorbente (Geankoplis, 2006).
Cabe precisar que, en la adsorción de metales puede tener lugar un fenómeno físico conocido como adsorción física (fisisorción), o también por enlaces químicos (quimisorción). Además existen distintos mecanismos a través de los cuales se puede llevar a cabo el proceso de adsorción (Salager, 1998):
- Intercambio iónico: consiste en el reemplazo de los iones que se adsorben en el sustrato por otros iones.
- Emparejamiento iónico: consiste en la adsorción de surfactantes iónicos en sitios cargados sin ocupar.
- Puente de hidrógeno: es el clásico proceso del enlazamiento polar entre los iones de hidrógeno de la molécula y átomos con carga negativa en la superficie o viceversa.
- Adsorción por polarización de electrones Pi: sucede al presentarse una atracción entre un núcleo aromático y un sitio con carga positiva en la superficie del sustrato.
14 - Adsorción por rechazo hidrofóbico: ocurre cuando el empaquetamiento de moléculas surfactantes en la interfase, asegura un enlace lateral entre el extremo lipofílico de una molécula y las moléculas vecinas, lo cual hace posible que las moléculas repelen el medio acuoso.
Las operaciones de adsorción explotan la capacidad especial de ciertos sólidos para hacer que sustancias específicas presentes en una solución normalmente en forma de iones se concentren en la superficie de la otra fase. De esta forma, pueden separarse unos de otros los componentes de soluciones gaseosas o líquidas. Generalmente, para fines comerciales, el proceso de adsorción se realiza en un lecho fijo, donde el adsorbente se halla en forma de partículas pequeñas (0,1 mm a 12 mm); el fluido pasará por el lecho y las partículas adsorbentes atraerán y retendrán los compuestos deseados (Treybal, 1993).
Existen muchas aplicaciones de éste mecanismo tanto para procesos industriales como para el control de la contaminación. Por ejemplo, en el sector del tratamiento de aguas los adsorbentes utilizados pueden incluir: carbón activado, alúmina activada, coloides de arcilla, hidróxidos, resinas adsorbentes, o materiales biológicos; en este último caso el proceso se denomina también biosorción (Lesmana & Febriana, 2009).
1.2.6 Biosorción
15 quelación, adsorción y microprecipitación. Cabe indicar que las técnicas de biosorción dependen del material utilizado como bioadsorbente; entre ellos, se investigan residuos agrícolas y sus subproductos, bacterias, levaduras, hongos y algas, que pueden funcionar para remover, eficazmente, compuestos como metales pesados presentes en el agua (Febrianto, Kosasih, Sunarso, Ju, & Indraswati, 2009).
1.2.7 Tipos de adsorción
Según (Barry, 1988), se debe diferenciar entre dos tipos de fenómenos de adsorción:
a) La adsorción física o adsorción de “Van der Waals”: es el
resultado de fuerzas de atracción relativamente débiles entre las moléculas de la superficie de un sólido y la sustancia adsorbida; además, la energía de adsorción es relativamente baja lo que le confiere la característica de ser fácilmente reversible. En este tipo adsorción el adsorbato conserva sus propiedades químicas; y los materiales que se utilicen como adsorbentes también podrían regenerarse. Este mecanismo de adsorción se da por ejemplo en las sustancias orgánicas en solución acuosa en presencia de carbón activado, que presenta una estructura muy porosa lo cual favorece su capacidad de adsorción (Volesky, 2003).
b) Quimisorción o adsorción activada: este tipo de adsorción se
16 temperatura sufrió esencialmente solo la adsorción física sobre un sólido, algunas veces puede exhibir quimisorción a temperaturas más elevadas; además, bajo determinados factores estos dos fenómenos pueden ocurrir simultáneamente (Baird, 2001).
1.2.8 Factores que afectan la adsorción
La adsorción de metales por biomasa se desarrolla a través de diferentes mecanismos de adsorción, que se encuentran fuertemente influenciados por factores tanto físicos como químicos. Entre estos factores se destaca los efectos del pH de la solución, la concentración del metal pesado en la solución, el tipo de especies iónicas metálicas presentes en la solución, la naturaleza y cantidad del adsorbente. Asimismo, la temperatura y el tiempo de equilibrio son otros de los factores que influyen sobre los mecanismos de adsorción (Schiewer & Volesky, 2000).
A continuación se describen los principales factores que afectan los mecanismos de adsorción:
a) El potencial de hidrógeno (pH): El pH de la solución determina
la solubilidad de los metales y en consecuencia la forma en la que las especies químicas se encuentran presentes en la solución; por lo tanto, condiciona la posibilidad de adsorción de un determinado metal, ya que en función a la especie química en la que se encuentre varia el mecanismo de adsorción que tendrá lugar (Tur, Orberá, Romagosa, & Pérez, 2013).
17 soluciones ácidas (pH entre 3 y 5) son las que facilitan la remoción de la mayoría de metales. Cuando el pH de la solución aumenta por encima del valor óptimo, la eficiencia de la adsorción por parte de la biomasa decrece, debido a que en medio alcalino los metales reaccionan con los iones hidroxilos (OH-) para formar hidróxidos metálicos los cuales luego pueden llar a precipitar. Asimismo, a valores bajos de pH los protones (H+) se encuentran en concentraciones elevadas, por lo que compiten con los cationes metálicos por los mismos sitios de intercambio en las paredes celulares del material adsorbente, lo que ocasiona una reducción de la remoción del metal (Navarro, Ramos, Campos, & Maldonado, 2006).
b) Temperatura: Es otro de los parámetros que influye sobre los
mecanismos de adsorción, su efecto depende principalmente de la energía liberada durante la adsorción, es decir la variación en la entalpía. La adsorción es un proceso que se caracteriza por ser exotérmico, y se produce de manera espontánea siempre que el adsorbente presente una superficie de adsorción disponible. Asimismo, el porcentaje de material que se remueva mediante adsorción depende del equilibrio dinámico entre la tasa de adsorción del material en la superficie del adsorbente y la tasa a la cual el material pueda liberarse, lo cual depende principalmente de la temperatura de la solución acuosa (Febrianto, Kosasih, Sunarso, Ju, & Indraswati, 2009).
18 La biomasa usada como adsorbente contiene más de un sitio activo para la unión con el metal; y por lo tanto, el efecto de la temperatura para cada tipo de sitio activo puede ser distinto y contribuir de manera particular a la adsorción; no obstante, para la mayor parte de metales el calor de reacción es prácticamente constante y por tanto independiente del nivel de ocupación de los lugares activos del bioadsorbente (Rivas, 2006).
c) Concentración inicial del metal
Para conocer el grado de efectividad de un adsorbente para la remoción de un determinado metal (adsorbato), es necesario determinar la máxima capacidad de adsorción a partir de la concentración inicial del adsorbato en la solución. Los equilibrios de extracción que presentan los materiales adsorbentes también varían en contacto con concentraciones diferentes del metal en la solución. En consecuencia, algunos trabajos de investigación han demostraron que el proceso de adsorción del metal es más eficiente a concentraciones bajas de dicho metal en la solución acuosa; por el contrario, cuando la concentración del metal se incrementa en la solución, su porcentaje de adsorción disminuye (Matus, Paniagua, & Benavente, 2011).
Por lo tanto, es importante que los modelos teóricos que se emplean para describir los resultados de los ensayos sean capaces de predecir el proceso de adsorción a diferentes concentraciones de adsorbato, además permitir interpretar físicamente el mecanismo de adsorción (Morales & Ruiz, 2008).
d) Influencia de la fuerza iónica
19 la distancia a la superficie del adsorbente. Por lo tanto, la concentración del electrolito de la solución y el tipo de carga, influyen sobre la adsorción afectando la competencia de los iones electrolitos y de los aniones adsorbentes por los lugares disponibles para la adsorción (Morales & Ruiz, 2008), (Esteban, 2012).
1.2.9 Isotermas de adsorción
Las isotermas de adsorción describen de manera gráfica el equilibrio de la adsorción a través de curvas que relacionan la concentración del adsorbato en la solución y la cantidad adsorbida por unidad de masa del material adsorbente a una temperatura constante. Las isotermas pueden clasificarse como isotermas de tipo C (de partición constante), L (tipo Langmuir), H (de alta afinidad) y S; en función a la forma de las curvas, conforme se representa en la siguiente figura; donde Q es la cantidad adsorbida por unidad de masa del sólido adsorbente, y C es la concentración de equilibrio del adsorbato en la solución después de la adsorción (Limousin, y otros, 2007).
Figura 1. Tipos de isotermas de adsorción según Giles et al.
20 A continuación se describe brevemente estas cuatro tipos de isotermas de adsorción, (Limousin, y otros, 2007), (Húmpola, 2013): - Isoterma tipo C (Figura 1.a); tiene una forma lineal donde la
relación entre la concentración del adsorbato en la solución y el adsorbido en el sólido resulta constante. Este tipo de adsorción se presenta cuando se tiene un material adsorbente poroso con moléculas flexibles y sitios con distintos grados de cristalización, y cuando el adsorbato muestra más afinidad por el adsorbente que por disolvente.
- Isoterma tipo L (Figura 1.b); tiene una forma cóncava, y se presenta cuando la relación entre la concentración del adsorbato de la solución y el adsorbido en el material disminuye conforme se incrementa la concentración de soluto. Cabe señalar que este tipo de isotermas son una de las más comunes, en procesos donde existe una fuerte atracción intermolecular entre las moléculas del adsorbato.
- Isoterma tipo H (Figura 1.c); es un caso especial de la isoterma tipo L, y se presenta cuando existe una gran afinidad entre el adsorbato y adsorbente, favoreciendo que este se encuentre totalmente adsorbido, y en consecuencia no se encuentra concentraciones detectables del soluto en la solución.
- Isoterma tipo S (Figura 1.d), es cóncava en el eje de las ordenadas, con un punto de inflexión, dando como resultado una curva en forma sigmoidea. Se presenta cuando las moléculas del adsorbato son mono-funcionales, con moderada atracción intermolecular, lo que favorece la adsorción de moléculas sobre superficie del material adsorbente; y la fuerte competencia por los sitios activos con las moléculas de la solución u otros sorbatos.
21 mecanismos que conducen estos tipos de isotermas y no dependen de formulismos matemáticos (Hinz, 2001). Además, los modelos desarrollados por Langmuir (1918) y por Freundlich (1926) siguen siendo los más utilizados para describir la capacidad de adsorción.
1.2.10 Equilibrio de adsorción
Conforme se ha detallado en los acápites anteriores, el proceso de adsorción es básicamente el resultado de la remoción de un sorbato presente en una solución acuosa y su concentración en la superficie de un adsorbente; cuando el adsorbente está en contacto con la molécula específica adsorbida se alcanza, luego de un tiempo, un estado de equilibrio entre la solución y el material adsorbente; en ese punto de equilibrio, existe una distribución definida del soluto (sorbato) entre las fases sólida y líquida (Orihuela, 2015).
22
1.2.11 Sorbente
En este punto, cabe resaltar que un factor importante a ser considerado en la selección del sorbente a utilizar en los procesos de separación por adsorción, es la isoterma de adsorción específicamente en la relación de equilibrio, que deberá abarcar el intervalo requerido de concentraciones. Otros factores necesarios para la elección del sorbente son (Noble & Terry, 2010):
- Capacidad de adsorción: cuánto material es adsorbido por
cantidad unitaria de sorbente. El área superficial por unidad de volumen del sorberte tiene una importante influencia en este valor. Por esta razón, los sorbentes son usualmente materiales altamente porosos.
- La pureza requerida en el fluido: Esto quiere decir, cuánto
material necesita ser removido.
- Selectividad del sorbente.
- El método de regeneración del sorbente.
- Desactivación del sorbente: Ciertos componentes en el fluido de
alimentación pueden reaccionar con el sorbente y reducir sustancialmente su efectividad a largo plazo.
- Costo: Los sorbentes de bajo costos que pueden ser fácilmente
regenerados son los preferidos.
La estructura de los sorbentes cuenta con múltiples poros finos, con hasta un 50% del volumen total de la partícula adsorbente (Souza & Massocatto, 2012). Además, dependiendo de las necesidades de separación, se han desarrollado diferentes tipos de adsorbentes, entre los más comunes están alúmina, gel de sílice y carbón activado.
1.2.12 Desorción
23 potencial de desorción significa que el material puede ser reutilizado nuevamente para la adsorción de metales (Souza & Massocatto, 2012).
Los métodos de desorción para metales pesados se basan, en general, en dos mecanismos (Gardea-Torresdey, 2004):
- El intercambio iónico, que se da cuando los metales que se unen a la superficie del material adsorbente son desalojados por otros cationes presentes en la disolución.
- La formación de complejos entre el metal adsorbido y sustancias quelantes que comparten electrones con los cationes metálicos.
Para determinar qué agente de desorción es el mejor para cada caso, es importante que la cantidad recuperada del bioadsorbente sea alta; que la cantidad de desorbente utilizada en el proceso sea pequeña, y que sus características no se deterioren físicamente o en cuanto a su capacidad de adsorción; además que no sea tóxico (Gardea-Torresdey, 2004). Posteriormente, la solución utilizada como desorbente puede ser reusada para el mismo fin una vez más (Volesky, 2003).
1.2.13 Naturaleza de los adsorbentes
24
1.2.14 Biomasa: Cáscara de plátano (Musa paradisiaca)
Según la literatura el plátano “se originó en Asia Meridional y se conoce en el mediterráneo desde el año 650 cuando la especie llegó a las Islas Canarias en el siglo XV, desde allí fue llevado a América en el año 1516” (Hernández & Vit, 2009, p. 11).
a) Clasificación y descripción
El plátano pertenece a la familia de plantas de las Musáceas. “La taxonomía del género Musa es compleja e incluye híbridos que han originado denominaciones genéticas muy particulares (…). Se designa como Musa paradisiaca variedad Hartón, y existen los plátanos congo, guayabo, cuairenton y dominico” (Hernández & Vit, 2009, p. 11).
Las partes principales que presenta la planta del plátano son: hojas, frutos (de 20 a 40 cm de largo y de 4 a 7 cm de diámetro), y pseudotallo. “El pseudotallo del plátano mide 2-5 m, y su altura puede alcanzar 8 m con las hojas. Los frutos son bayas falsas sin semillas, cilíndricos distribuidos en manos de racimos de 30-70 plátanos” (Blasco & Gómez, 2014, p. 23).
b) Composición química
25 Tabla 1. Composición química del plátano maduro
Composición Contenido en 100 g Agua Energía (Kcal) Grasa Proteína Carbohidratos Fibra 74,20 92,00 0,48 1,03 23,43 2,4º Minerales Potasio (Mg) Fósforo Hierro Sodio Magnesio Calcio Zinc Selenio 396 20 0,31 1 29 6 0,16 1,1 Vitaminas Vitamina C (Mg) Vitamina A (I.U.) Vitamina B1 (Mg) Vitamina B2 (Mg) Vitamina E (Mg) Niacina (Mg) 9,1 81 0,045 0,10 0,27 0,54
Nota. Adaptada de “El plátano un cultivo tradicional con importancia nutricional” por Hernández, L. M., & Vit, P. (2009), Revista del Colegio de Famacéuticos del Estaddo de Mérida, II, p.13.
c) Propiedades del plátano
Una las principales propiedades del plátano es su contenido de potasio que se encuentra en la pulpa. “El potasio se puede encontrar en una variedad de frutas, verduras e incluso carnes, sin embargo, un solo plátano puede proporcionar hasta el 23 % de potasio que se necesita al día” (Blasco L. & Gómez M., 2014, p. 23).
Además, es fuente de vitaminas tales como: “A, B6, C y D, dando
beneficios especialmente a los huesos y músculos del cuerpo humano. Ya que uno solo de estos frutos contiene el 41% del requerimiento necesario de vitamina B6 al día” (Blasco L. &
26
Figura 2. Partes de la platanera. Por (Blasco & Gómez, 2014, p. 23).
d) Propiedades funcionales de la cáscara de plátano
La cáscara constituye el principal residuo del proceso industrial del plátano y puede llegar a representar el 30% del peso del fruto; en ese contexto, los usos potenciales de dicho residuo dependen fundamentalmente de su composición química. La cáscara de este fruto “es rica en fibra dietética, proteínas, aminoácidos esenciales, ácidos grasos poliinsaturados y potasio; entre los esfuerzos para utilizar la cáscara se han obtenido proteínas, metanol, etanol, pectinas y enzimas. Entre otros usos se han obtenido carbón vegetal” (Blasco L. & Gómez M., 2014, p. 24). En el campo de la medicina, uno de los interesantes beneficios de la cáscara de plátano, por su contenido de compuestos antioxidantes, se relaciona a sus efectos “sobre los radicales libres que se producen continuamente en nuestro organismo de manera natural o por el estrés ambiental, así como otros factores relacionados con muchas enfermedades como el cáncer,
arteriosclerosis, artritis, enfermedades de Parkinson y Alzheimer”
27 La cáscara de plátano es fuente de un “alto contenido de fibra dietética (50 g/100 g) (…); se ha determinado que la maduración del plátano muestra un impacto positivo en la composición de fibra de la cáscara, compuesta principalmente de celulosa, lignina, hemicelulosa y pectina” (Blasco & Gómez, 2014, p. 25). Además como parte de su composición presenta:
Aminoácidos esenciales
Entre los que podemos encontrar a “la leucina, valina, fenilalanina y treonina. La leucina se muestra promisoria en el ámbito de la regulación del metabolismo, ya que mejora la glucosa y la homeostasis de la insulina mediante la estabilización de los niveles de glucosa en sangre” (Blasco & Gómez, 2014, p. 25).
Ácidos grasos esenciales
Donde, desatancan los “ácidos grasos esenciales como el ácido linoleico y ácido a-linolénico. Se recomienda el consumo de estos ácidos durante el embarazo, lactancia, cáncer, enfermedades oculares asociadas a la edad y Alzheimer, así como para las enfermedades cardiovasculares” (Blasco L. & Gómez M., 2014, p. 25).
Por otro lado, la cáscara de plátano presenta una importante capacidad de adsorción. Al respecto, se han desarrollado distintas investigaciones con el fin de evaluar su efectividad en los procesos de adsorción de iones metálicos; para lo cual, las cáscaras son previamente desecadas y pulverizadas, para luego mezclarlas con agua contaminada con metales pesados; que son removidos, principalmente por el contenido de lignina presente en la cáscara de los plátanos (Alvarado & Gómez, 2013), (Castro, 2015).
28
1.2.15 Parámetros que influyen en el proceso de adsorción
- Potencial de hidrogeno (pH): conforme se señaló anteriormente,
el pH de la solución es uno de los factores más importantes en la adsorción de iones presentes en la solución, generando efectos distintos para los cationes y aniones. Así, mientras que la adsorción de cationes suele ser más eficiente con valores de pH superiores a 4,5; la adsorción de aniones resulta más favorable a un valor bajo de pH, entre 1,5 a 4 (Volesky, 2003).
Se puede diferenciar tres formas de influencia del pH en la adsorción de un metal; i) El sitio activo del adsorbente interactúa con el catión metálico y la superficie polar o cargada del adsorbente, por variación de pH; es decir cuando el grupo de unión del metal es débilmente ácido o básico, la disponibilidad del sitio libre depende del pH. ii) Las variaciones extremas de pH, que dañan la estructura del material adsorbente, produciendo pérdidas significativas de peso y la disminución en la capacidad de adsorción, iii) El pH determina las especies químicas del metal en solución; los metales en soluciones acuosas a pH bajos se encuentran como iones hidrolizados, principalmente aniones de metales de carga alta y tamaño pequeño (Schiewer & Volesky, 1997).
- Tiempo de equilibrio en la adsorción: Los resultados de los
29 más que se mantenga en contacto con la solución, ya no puede adsorber más con iones metálicos (Volesky, 2003).
- Dosis de adsorbente: la relación la cantidad del adsorbente (g)
presentes en un determinado volumen de solución (l), limita el proceso adsorción; por ejemplo, en el caso de metales como el plomo a mayor cantidad de adsorbente es posible obtener un mayor porcentaje de adsorción (Gutiérrez, Vargas, & Pedreguera, 2013).
1.3 Definición de términos básicos
Adsorbato: Es la especie disuelta que va a ser adsorbida. Adsorbente: Es la fase sólida del proceso de adsorción
Adsorción: Es un proceso tanto físico como químico de acumular una
sustancia en la interface entre la fase liquida y sólida.
Biosorción: Es un proceso físico-químico que involucra a su vez
mecanismos de adsorción y absorción de moléculas e iones. Este proceso de bioadsorción involucra una fase solida (biomasa) y una fase liquida (agua).
Grupo funcional: Es la estructura sub-molecular que se caracteriza por
una estructura y composición específica, que le otorga cierta reactividad a la molécula a la que pertenecen.
Grado de acidez: Está referido al pH de una solución, representa su
acidez o su alcalinidad, se representa en una escala de valores de cero “0” (extremo ácido) a 14 (extremo básico). El valor de pH compatible con la vida de los peces está comprendido entre 5 y 9; sin embargo, para la mayoría de las especies acuáticas, la zona de pH favorable se sitúa entre 6 y 7,2. En muchas áreas geográficas, el suelo y los estratos minerales constituidos por carbonato de calcio son alcalinos, impartiendo una alta alcalinidad al agua.
Rango de malla: Este término indica el “tamaño de partícula” del
30
Sitios activos: Está referido a los sitios ácidos o básicos del adsorbente,
se caracteriza por la formación de enlaces entre el adsorbato y el adsorbente dependiendo de los grupos funcionales (carboxilo, hidroxilo, amino, entre otros) que presenta el adsorbente.
Sitios de adsorción: Esta referido a las distintas interacciones entre el
adsorbato y el adsorbente, y las interacciones intermoleculares como los del tipo enlaces de hidrógeno, a través de cargas superficiales presentes en el adsorbente. La interacción podría darse por enlaces químicos debido a grupos funcionales que permiten a su vez mecanismos de intercambio iónico.
1.4 Hipótesis de la investigación 1.4.1 Hipótesis general
La biomasa de la cáscara de plátano “Musa paradisiaca”
adsorbe significativamente más del 90% el plomo (II) y cobre (II) del efluente de la unidad minera Carahuacra, Yauli - La Oroya.
1.4.2 Hipótesis específicas
Las características físico-químicas del efluente de la unidad minera Carahuacra, Yauli - La Oroya exceden los límites máximos permisibles para efluentes mineros.
El índice de acidez (pH) del agua con biomasa de la cáscara de
plátano “Musa paradisiaca” influye significativamente en la adsorción de plomo y cobre del efluente de la unidad minera Carahuacra, Yauli - La Oroya.
El tiempo de contacto con la biomasa de la cáscara de plátano
“Musa paradisiaca” influye significativamente en la adsorción de
plomo y cobre del efluente de la unidad minera Carahuacra, Yauli - La Oroya.
La cantidad de biomasa de la cáscara de plátano “Musa
31 cobre del efluente de la unidad minera Carahuacra, Yauli - La Oroya.
1.5 Operacionalización de las variables
Variables Definición Indicadores
pH
Está relacionado a la concentración de iones hidrógeno [H]+ presentes en una
determinada solución; e indica la acidez o alcalinidad de la misma.
Adimensional
Tiempo de agitación
Es el periodo empleado para producir movimientos circulatorios en el interior de un recipiente que contienen un fluido con el fin de realizar una mezcla completa.
minutos
Cantidad de bioadsorbente
Es la medida en gramos de la sustancia orgánica con el cual se efectúa la adsorción.
gramos
Concentración de Pb (II) y
Cu (II)
Es la cantidad de Pb (II) o Cu (II) presente en un determinado volumen de agua, con la cual forman una solución homogénea.
32
CAPÍTULO II
2.
DISEÑO METODOLÓGICO
2.1 Tipo y nivel de investigación
El presente trabajo de investigación es de tipo experimental, debido a la manipulación de las variables independientes con respecto a la variable dependiente, buscando una relación entre estas variables (Hernández Sampiere, Fernández Callado, & Baptista Lucio, 2010).
El nivel de investigación es correlacional, asociando variables mediante un patrón predecible para un grupo o población (Hernández Sampiere, Fernández Callado, & Baptista Lucio, 2010). Asimismo, el estudio permite la demostración de hipótesis causales; a partir de la identificación y análisis de las causas (variables independientes) y sus resultados, que constituyen los hechos verificables (variables dependientes).
2.2 Método de investigación
El método desarrollado en el trabajo de investigación es inductivo debido a que parte de aspectos particulares para llegar a un aspecto general del trabajo de investigación, aplicando los procedimientos que se describen a continuación en la parte experimental.
33
Figura 3. Imagen satelital del lugar de estudio. Fuente: Programa del Google Earth.
2.2.1 Metodología experimental a. Equipos y materiales
Equipos
- ICP de masas
34 - Embudos
- 1 Caja de Guantes de látex - Papel filtro
- Tamiz de acero inoxidable de malla # 100, norma ASTM - Cáscara de plátano
Reactivos
- Agua destilada - HCl a 0.1 N
b. Caracterización fisicoquímica del material adsorbente – cáscara de plátano “Musa paradisiaca”
Para la caracterización fisicoquímica del material adsorbente se realizó el pretratamiento a la cáscara de plátano que se recolectó de las juguerías ubicadas al interior del mercado Modelo de Huancayo. Para retirar todas las impurezas que pudieran afectar el proceso de bioadsorción se procedió a realizar el lavado de las cáscaras de plátano, la reducción del tamaño y seguidamente el secado de las cáscaras; conforme se detalla a continuación:
Preparación de la cáscara de plátano “Musa paradisiaca”
Las cáscaras de plátano fueron recolectadas en suficiente cantidad, para después proceder con las siguientes etapas:
Lavado:
Se realizó el lavado de las cáscaras de plátano con abundante agua destilada, para retirar las impurezas y sustancias solubles presentes en las cáscaras.
Selección:
35 La cantidad inicial de muestra recolectada fue de 20 kg de cáscaras de plátano, con lo cual se obtuvo un 15 % de rendimiento en la elaboración de la harina de cáscaras de plátano.
Molienda:
Las cáscaras seleccionadas fueron reducidas mediante molienda mecánica en trozos pequeños, para lo cual se adicionó un poco de agua para facilitar la molienda.
Secado:
Como resultado de la molienda se obtuvo una masa pastosa, la cual se procedió a secar dentro de un horno de laboratorio, a una temperatura controlada de 130 °C en una operación continua obteniendo una cantidad de 3 kg de producto seco (15 % de masa inicial), con un rango de humedad de 2,5 - 4 %.
Figura 4. Secado de las cáscaras de plátano en el horno.
Reducción y clasificación de tamaño:
36 tamizó el material mediante un tamiz de tamaño de partícula correspondiente a malla # 100.
Figura 5. Partículas pequeñas de cáscara de plátano después del
tamizado.
Caracterización de la cáscara de plátano “Musa
paradisiaca”
Se caracterizó la harina de cáscara de plátano (bioadsorbente) para la correspondiente determinación de los compuestos y elementos orgánicos presentes en la cáscara de plátano, mediante los métodos analíticos que se indican en la siguiente tabla:
Tabla 2. Elementos y compuestos orgánicos en la cáscara de plátano
Nota: Por (Castro, 2015, p. 61).
c. Pruebas experimentales
Se realizaron 8 muestras con 3 réplicas cada una, resultando un total de 24 pruebas experimentales, cada muestra en un vaso de precipitación de 250 ml en función de las condiciones propuestas en el diseño experimental.
Parámetros Métodos
Carbono, (%) AOAC 949,14 Hidrogeno, (%) AOAC 949,14 Nitrógeno, (%) AOAC 984,13 Cenizas Termo gravimetría Grupos funcionales de la
37
Procedimiento Paso 1:
- Se realizó el pesado del adsorbente de 1 gramo y 2 gramos (Gutiérrez, Vargas, & Pedreguera, 2013), según en una balanza analítica de cuatro dígitos.
Figura 6. Pesado del adsorbente en la balanza
analítica.
Figura 7. Pesado del adsorbente a 1 gramo y 2
gramos
Paso 2:
38
Figura 8. Toma de una alícuota de 10 mL para
el análisis por ICP de masas.
Paso 3:
- Se tomaron 100 mL de muestra del efluente de la mina Carahuacra, para cada prueba experimental, se utilizó agitadores magnéticos a 400 RPM a temperatura ambiente.
Figura 9. Toma de alícuotas de 100 mL de la muestra de agua
39
Figura 10. Agitadores magnéticos a
400 RPM a temperatura ambiente.
Paso 4
- Se adicionó HCl a 0,1 M para variar el pH según el diseño experimental de 2 y 3 de pH según (Gutiérrez, Vargas, & Pedreguera, 2013).
Figura 11. Adición HCl a 0,1 M para variar el pH
40
Figura 12. Modificación del pH a 2 y 3 con HCl en las
pruebas experimentales.
Paso 5:
- Se adicionó el adsorbente en cada vaso de precipitación lentamente, y se procedió a la agitación de la solución por un periodo de 1 hora para las muestras con 1 gramo de adsorbente y 2 horas para las muestras con 2 gramos de adsorbente, según el diseño experimental.
Figura 13. Adición del adsorbente en cada vaso de
41
Figura 14. Agitación de pruebas experimentales con el
adsorbente a 400 RPM
Paso 6
- Se filtraron las soluciones, y se tomaron alícuotas de 10 mL para analizarlos por absorción atómica (Anexo).
Figura 15. Filtración de las soluciones, y toma de alícuotas
de 10 mL para el análisis por absorción atómica.
2.3 Diseño de la investigación
42 diseño tipo factorial, donde se tiene 3 variables independientes con dos niveles cada uno de ellas, 23 = 8 pruebas experimentales, cada uno con 3
repeticiones, obteniéndose un total 24 pruebas experimentos. El cual se explica en el siguiente cuadro (Hernández Sampiere, Fernández Callado, & Baptista Lucio, 2010).
Réplicas a1 a2 b1 b2 b1 b2 c1 c2 c1 c2 c1 c2 c1 c2 I X1111 X1121 X1211 X1221 X2111 X2121 X2211 X2221 II X1112 X1122 X1212 X1222 X2112 X2122 X2212 X2222 III X1113 X1123 X1213 X1223 X2113 X2123 X2213 X2223
Dónde: Las letras mayúsculas representan las variables y las minúsculas representan los niveles
- A: pH; a1= 2 y a2= 3
- B: tiempo de agitación (horas); b1= 1h y b2= 2h - C: masa de adsorbente (g); c1= 1g y c2= 2g
2.4 Población y muestra 2.4.1 Población
- Efluentes mineros de la unidad minera Carahuacra, Yauli – Oroya.
2.4.2 Muestra
- Se tomó 100 mL de agua de los efluentes de la unidad minera Carahuacra, distrito de Yauli – La Oroya.
2.4.3 Técnica de muestreo
43
- Para las pruebas experimentales se tomaron muestras en uno de
los efluentes de la unidad minera Carahuacra, ubicado en el distrito de Yauli – La Oroya, en coordenadas UTM (Datum WGS 84-Zona 18): 8 702 793 N y 376 675 E, altitud 4 334 m.s.n.m.
Figura 16. Imagen satelital de la unidad minera Carahuacra,
ubicado en el distrito de Yauli – La Oroya. Fuente: Google Earth.
2.5 Técnicas e instrumentos de recopilación de datos
- Reportes de análisis de laboratorio. - Cuadernos de apuntes.
- Procesamiento de datos.
2.6 Técnica de procesamiento de datos
44
CAPÍTULO III
3.
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1 Presentación, análisis e interpretación de los datos 3.1.1 Ensayos de adsorción
Los ensayos se realizaron en procesos tipo batch a temperatura ambiente. Inicialmente se procedió a determinar la masa del adsorbente y se colocó en un vaso de precipitación que contenía la muestra del efluente minero a la concentración de 18,72 ppm Pb (II) y 12,69 ppm de Cu (II). Seguidamente, mediante agitación magnética, por un tiempo de una (1) y dos (2) horas, según el diseño experimental, la mezcla fue homogenizada. Al finalizar los tiempos de agitación (periodo de adsorción), se procedió a determinar la concentración de Pb y Cu presente en la fase líquida, para lo cual se empleó un equipo de análisis de absorción atómica.
3.1.2 Caracterización de la materia prima (cáscara de plátano)
Los resultados del análisis elemental de la cáscara de plátano, para carbono, hidrogeno y nitrógeno se representan en la siguiente figura, siendo el carbono, el elemento presente en la cáscara de plátano en mayor porcentaje (45,4 %).
45 La adsorción del plomo y cobre por parte de la cáscara de plátano, es favorecida por el porcentaje alto del carbono presente en la cáscara de plátano; de igual forma los porcentajes de hidrógeno, nitrógeno y cenizas que contiene.
3.1.3 Determinación de grupos funcionales presentes en la cáscara de plátano
Cabe señalar que, la presencia de grupos funcionales superficiales orgánicos responsables de la adsorción de los metales pesados (plomo y cobre) en la cáscara de plátano, se determinó mediante espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), lo que es importante para conocer, de manera general, la estructura química del biosorbente. Esta técnica se puede aplicar para determinar la identidad y los estados de protonación de grupos funcionales orgánicos presentes en la biomasa. En estudios similares otros investigadores han encontrado diferentes grupos funcionales presentes en los biosorbentes, como grupos carboxil, carbonil, sulfidril, fosfato e hidroxil, que pueden contribuir a enlazar o adsorber el contaminante (Tejeda, Tejeda, Marimón, & Villabona, 2014).
46
Figura 18. “Espectrofotometría de infrarrojo de la cáscara de
plátano usada para el proceso de adsorción de plomo y cobre”. Recuperado de (Castro, 2015, p. 69).
En la Figura 18, que representa al espectro de la cáscara de plátano “el pico ancho e intenso a 3240,16/cm (…) es un indicativo del estiramiento de grupos hidroxilo. Los picos a 3500-2500/cm muestran las vibraciones de la celulosa, la pectina, el agua absorbida, la hemicelulosa y la lignina” (Castro, 2015, p. 69). Asimismo, el pico a 2918,39/cm puede deberse a las “vibraciones C-H del estiramiento metilo, metileno y grupos metoxi. Los picos alrededor de 1729,96/cm; (…) corresponden al estiramiento carbonilo C=O que indica la vibración de los grupos carboxilo de pectina, hemicelulosa y lignina” (Castro, 2015, p. 69)
3.1.4 Análisis e interpretación de datos
47 Tabla 3. Concentración de plomo (Pb) en los tratamientos experimentales
Nº Tratamiento pH T. Cont. Horas Dosis g Concentración de plomo (Pb) Replica I Replica II Replica III Promedio
ppm ppm ppm ppm T_0 18,92 19,02 18,21 18,72 T_1 2 1 1 3,48 3,56 3,12 3,39 T_2 3 1 1 1,39 1,47 1,37 1,41 T_3 2 2 1 2,07 1,95 2,01 2,01 T_4 3 2 1 0,68 0,55 0,61 0,61 T_5 2 1 2 2,81 2,84 2,61 2,75 T_6 3 1 2 1,02 1,16 1,07 1,08 T_7 2 2 2 1,97 2,02 1,89 1,96 T_8 3 2 2 0,89 0,86 0,81 0,85
En la Tabla 3 se muestra los resultados de los tratamientos, réplicas y promedio de la concentración de plomo (II), siendo T_0 la concentración promedio inicial proveniente de la muestra del efluente minero de la unidad minera Carahuacra, Yauli – La Oroya obteniendo un valor de 18,72 ppm de Pb mediante un análisis de ICP OES, la concentración mínima obtenida fue 0,61 ppm de Pb y la concentración máxima fue 3,39 ppm de Pb mediante análisis de absorción atómica.
Figura 19. Concentración final de plomo (Pb) por
tratamientos experimentales.
48 diferencia significativa entre ellas para los diferentes tratamientos realizados, las concentraciones más altas se obtuvieron en los tratamientos T_1 y T_5, mayores a 2,5 ppm de Pb; mientras que el tratamiento T_4 y T_8 presentaron concentraciones menores a 1 ppm de Pb.
Tabla 4. Concentración de cobre (Cu) en los tratamientos experimentales
Nº Tratamiento pH T. Cont. Horas Dosis g Concentración de cobre Cu
Replica I Replica II Replica III Promedio
ppm ppm ppm ppm T_0 12,87 12,74 12,45 12,69 T_1 2 1 1 2,04 1,99 2,07 2,03 T_2 3 1 1 1,1 1,14 0,98 1,07 T_3 2 2 1 1,24 1,27 1,99 1,50 T_4 3 2 1 0,98 0,91 0,94 0,94 T_5 2 1 2 1,18 1,09 1,14 1,14 T_6 3 1 2 0,49 0,42 0,51 0,47 T_7 2 2 2 0,84 0,89 0,94 0,89 T_8 3 2 2 0,79 0,71 0,84 0,78
