SELECCIÓN DE RESIDUOS AGROINDUSTRIALES CON ALTA CAPACIDAD DE REMOCIÓN DE CROMO HEXAVALENTE DE SOLUCIONES ACUOSAS

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SELECCIÓN DE RESIDUOS AGROINDUSTRIALES CON ALTA CAPACIDAD DE REMOCIÓN DE CROMO HEXAVALENTE DE SOLUCIONES ACUOSAS

Alma Rosa, Netzahuatl Muñoz; Liliana, Morales Barrera;

Eliseo, Cristiani Urbina.

DIRECCIÓN DE LOS AUTORES

Departamento de Ingeniería Bioquímica, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional. Prolongación de Carpio y Plan de Ayala s/n, Colonia Santo Tomás.

México, D.F. C.P. 11340. México.

CORREO ELECTRÓNICO ecristia@encb.ipn.mx

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INTRODUCCIÓN

El cromo es un metal indispensable para la fabricación de diversos productos de uso cotidiano. Sin embargo, el uso intensivo del cromo ha provocado la generación de gran cantidad de residuos sólidos, líquidos y gaseosos que contienen el metal. Se considera que las industrias que emiten cromo al aire y al agua son las productoras de textiles, pulpa y papel, pigmentos para pinturas, acero, cemento, vidrio, algunos productos farmacéuticos y de productos para la conservación de la madera, así como las del galvanizado (principalmente de autopartes) y las curtidurías (Mohan y Pittman, 2006).

El inadecuado control de los residuos que contienen cromo con un estado de oxidación de +6 [cromo hexavalente o Cr(VI)] ha ocasionado serios problemas de contaminación del agua y suelo, debido a que los compuestos de Cr(VI) son altamente solubles en agua y muy estables en el medio ambiente (ATSDR, 2000). Además, el Cr(VI) está considerado como un contaminante prioritario debido a sus efectos tóxicos, mutagénicos, carcinogénicos y teratogénicos sobre el hombre (WHO, 2003).

Las aguas contaminadas con Cr(VI) son tratadas principalmente mediante la técnica de reducción química-precipitación; sin embargo, este método es ineficiente, peligroso, las aguas tratadas no satisfacen los límites máximos permitidos por las normas ambientales y, además, genera grandes cantidades de lodos químicos tóxicos que son difíciles de tratar, manipular y disponer apropiadamente (Álvarez-Ayuso et al., 2007). Por otra parte, los costos de inversión y de operación de los métodos fisicoquímicos no convencionales (tales como la adsorción con carbón activado, el intercambio iónico y la ósmosis inversa) son muy elevados (Kurniawan et al., 2006).

Debido a lo anterior, es de gran importancia la búsqueda de tecnologías económicas, eficientes y seguras para la remoción de cromo hexavalente y de otros metales tóxicos. Una tecnología potencial para la remoción de metales pesados de aguas contaminadas es la biosorción, en la cual se utilizan materiales biológicos metabólicamente inactivos para la

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separación del metal de las soluciones acuosas y la posterior recuperación de éste (Ahluwalia y Goyal, 2007). Los materiales biológicos más estudiados para la remoción de metales han sido principalmente la biomasa de algas, bacterias y hongos, y en menor medida los derivados de plantas y animales (Gardea-Torresdey et al., 2004).

El objetivo de este trabajo fue identificar residuos agroindustriales con alta capacidad de remoción de Cr(VI) de soluciones acuosas que podrían ser empleados en el tratamiento de efluentes contaminados con el metal.

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MATERIALES Y MÉTODOS

Acondicionamiento de los materiales biológicos: Los residuos agroindustriales se lavaron con agua destilada y se deshidrataron en un horno a 60 ºC por 24 horas. Se molieron y posteriormente se tamizaron para obtener partículas con un tamaño de 0.3 a 0.5 mm.

Selección de materiales con capacidad para remover Cr(VI): Se utilizaron matraces que contenían solución de cromato de potasio con una concentración de 100 mg de Cr(VI)/L a pH 2 y material biológico acondicionado a una concentración de 1 g/L. Los matraces se mantuvieron en agitación constante a 28 ºC. Se determinó la capacidad de remoción de Cr(VI) de los diferentes materiales biológicos ensayados a las 24 y 48 horas de contacto.

Los materiales que presentaron las mayores capacidades de remoción de Cr(VI) fueron seleccionados para realizar estudios cinéticos de remoción de Cr(VI) y cromo total.

Estudio cinético de remoción de Cr(VI) y cromo total: Estos experimentos se realizaron en matraces Erlenmeyer que contenían un volumen determinado de una solución de cromato de potasio como fuente de Cr(VI) y material biológico. Las condiciones que se utilizaron fueron similares a las de la primera etapa de selección. Se determinó la capacidad de remoción de Cr(VI) y cromo total a las 2, 5, 8, 25, 50 y 120 horas de contacto. En forma simultánea se utilizó como control un matraz que contenía solución de cromato de potasio sin material biológico, con el fin de determinar si bajo las condiciones de ensayo se presentaba reducción del Cr(VI) a Cr(III).

Métodos analíticos: La concentración de cromo hexavalente se determinó mediante el método de la 1,5-difenilcarbohidrazida, siguiendo los procedimientos descritos en el Hach Water Analysis Handbook (2002). La concentración de cromo total se determinó por espectrofotometría de absorción atómica y se empleó un espectrofotómetro SpectrAA-100 (Varian, Inc.) con flama de aire-acetileno, las lecturas de absorbencia se realizaron a 357.9 nm. La determinación de pH se realizó con un potenciómetro.

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la tabla 1 se presentan las capacidades de remoción de Cr(VI) de los 20 residuos agroindustriales ensayados. Se puede observar que en todos los materiales la remoción de Cr(VI) se llevó a cabo principalmente durante las primeras 24 horas de contacto. En el periodo comprendido entre las 24 y las 48 horas, la capacidad de remoción de Cr(VI) de la mayoría de los materiales se incrementó ligeramente. De los materiales ensayados, sólo 3 presentaron capacidades de remoción de Cr(VI) superiores a los 50 mg/g, y la semilla de mango fue la que exhibió la mayor capacidad, con valores de 88.22 y 94.18 mg/g a las 24 y 48 h, respectivamente. En la literatura existen pocos reportes sobre la remoción de cromo hexavalente utilizando residuos agroindustriales; entre los materiales con capacidad de remoción de Cr(VI) superior a 80 mg/g se encuentran la semilla de Tamarindus indica (Agarwal et al., 2006), la semilla de Ocimum basilicum (Melo y D’Souza, 2004) y el subproducto de la extracción de fibra de la cáscara de coco (Suksabye et al., 2007).

La mayoría de los autores considera que la remoción de Cr(VI) por los materiales biológicos inactivos se lleva a cabo por un mecanismo de biosorción, en el cual los oxianiones de Cr(VI) son retenidos por grupos funcionales protonados presentes en el material (Niu y Volesky, 2006). Sin embargo, algunos investigadores han reportado la aparición de Cr(III) en la fase acuosa durante sus estudios de remoción de cromo hexavalente llevados a cabo con diversos materiales biológicos (Cabatingan et al., 2001;

Kratochvil et al.., 1998; Park et al.., 2005), lo que sugiere que parte del Cr(VI) fue transformado (reducido) a cromo trivalente. Este último es una especie considerablemente menos tóxica y menos soluble en agua que el Cr(VI).

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Tabla 1. Capacidad de remoción de cromo hexavalente de diferentes residuos agroindustriales

Material biológico Capacidad de remoción de Cr(VI) (mg Cr⁶⁺/g)

24 horas 48 horas

Cáscara de granada 18.70 18.70

Semillas de tuna 16.65 20.08

Cáscara de naranja 23.02 25.13

Residuos de zanahoria 18.46 25.85

Cáscara de piña 21.04 28.32

Cáscara de mandarina 24.09 30.38

Caña de maíz 21.50 30.55

Cáscara de cacahuate 26.87 30.98

Cáscara de pepino 27.00 31.91

Cáscara de tomate verde 30.04 33.32

Semilla de guayaba 28.88 33.43

Flor de jamaica 33.98 35.32

Semillas de papaya 29.52 39.08

Cascarilla de cebada 31.36 39.18

Semillas de chirimoya 34.33 42.96

Hojas de rábano 37.34 47.82

Cáscara de plátano 55.48 66.52

Cáscara de tamarindo 58.87 70.99

Cáscara de mamey 64.39 73.66

Semilla de mango 88.22 94.18

Desde el punto de vista de ingeniería es de suma importancia conocer el mecanismo por el cual los materiales biológicos, tales como los residuos agroindustriales ensayados en este trabajo, remueven cromo hexavalente, ya que el mecanismo (reducción o biosorción) determinará las etapas de tratamiento a las que deben someterse las aguas residuales industriales contaminadas con Cr(VI). Asimismo, es conveniente mencionar que la biosorción de cromo tendría como ventajas la posibilidad de recuperar el metal en soluciones concentradas y de reutilizar el material biológico para posteriores ciclos de remoción (Cabatingan et al., 2001). Es por esto que para establecer el mecanismo de remoción de Cr(VI), en la segunda etapa de este trabajo se determinaron las capacidades de

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remoción de cromo hexavalente y de cromo total de aquellos residuos agroindustriales que presentaron altas capacidades de remoción de Cr(VI). Los materiales seleccionados fueron los siguientes: cáscara de tamarindo, cáscara de mamey y semilla de mango, los cuales presentaron capacidades de remoción de Cr(VI) de 70.99, 73.66 y 94.18 mg/g.

En los estudios cinéticos de remoción de Cr(VI) llevados a cabo con estos tres materiales se observó que la concentración de cromo hexavalente disminuyó principalmente durante las primeras 8 horas de contacto y posteriormente continuó disminuyendo aunque a menor velocidad; sin embargo, el Cr(VI) no fue completamente removido a las 120 horas. Con todos los materiales biológicos y a todos los tiempos de contacto ensayados, las concentraciones de cromo total residual fueron superiores a las de cromo hexavalente residual, esto último se ejemplifica en la figura 1 la cual muestra los perfiles de variación de la concentración de cromo hexavalente y cromo total residual para la cáscara de tamarindo. Como las concentraciones de cromo hexavalente y cromo total del control se mantuvieron constantes durante el periodo de experimentación, las diferencias observadas en las concentraciones de cromo hexavalente y de cromo total residual en los experimentos con los biomateriales sólo pueden deberse a que éstos redujeron el Cr(VI) a Cr(III). Estos resultados sugieren que parte del cromo inicialmente presente en la solución líquida fue removido por reducción a cromo trivalente, otra parte fue biosorbido por el material biológico y una última parte permaneció en la solución como cromo hexavalente.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 20 40 60 80 100 120 140

Tiem po (h)

Concentración (mg/L)

Cromo hexavalente Cromo total

Figura 1. Perfiles de variación de la concentración de cromo hexavalente y cromo total residual en el experimento realizado con la cáscara de tamarindo. La concentración de cromo hexavalente residual fue inferior a la de cromo total a todos los tiempos de contacto.

En la figura 2 se muestra la distribución del cromo para los experimentos realizados con los tres materiales ensayados en esta etapa y para el control libre de material biológico, a las 120 horas de contacto. Con la semilla de mango se obtuvo la menor concentración de cromo hexavalente residual (0.7 mg/L), mientras que con las cáscaras de mamey y de tamarindo fue de 7.6 y 9.5 mg/L, respectivamente. Los tres materiales removieron parte del cromo por biosorción, siendo la cáscara de mamey la que biosorbió mayor cantidad de cromo total (49.6 mg/L) y con la que se obtuvo menor concentración de cromo trivalente en solución. Para la cáscara de tamarindo y la semilla de mango las concentraciones de cromo trivalente formado y de cromo total removido fueron semejantes, por lo que en estos

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materiales los mecanismos de reducción y biosorción participaron casi en la misma proporción.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cáscara de mamey Cáscara de tamarindo Semilla de mango Testigo sin material Material biológico

Concentración (mg/L)

Cromo hexavalente residual Cromo total removido (biosorbido) Cromo trivalente formado

Figura 2. Concentración de cromo hexavalente residual, cromo total removido y

as capacidades de remoción de cromo total de los tres materiales se incrementaron cromo trivalente formado en los experimentos de remoción de Cr(VI) llevados a cabo con tres residuos agroindustriales, a las 120 horas de contacto. La cáscara de mamey fue la que biosorbió mayor cantidad de cromo total a las 120 h.

L

principalmente durante las primeras 8 horas de contacto (figura 3). La capacidad de remoción de cromo total de la semilla de mango alcanzó su valor máximo a las 25 horas de contacto y se mantuvo prácticamente constante a tiempos superiores. En contraste, los

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valores máximos de capacidad de remoción de cromo total de la cáscara de mamey (49.56 mg/g) y de la cáscara de tamarindo (46.15 mg/g) se obtuvieron hasta las 120 horas de experimentación. Aun cuando los valores de capacidad de remoción de cromo total parecen bajos, en la literatura prácticamente no existen reportes de capacidad de remoción de cromo total cercanos o superiores a 60 mg de Cr/g, cuando se utilizan residuos agroindustriales a los que no se les aplica algún tratamiento térmico o químico. Uno de los pocos informes disponibles es el de Fiol et al. (2003), quienes encontraron que los tallos de uva alcanzaron una capacidad máxima de remoción de cromo total de 59.8 mg/g, cuando se operó en el intervalo de concentración de Cr(VI) de 10-1000 mg/L y bajo condiciones óptimas de remoción (pH = 3; concentración de biomasa: 6.6 g/L; 24 horas de contacto). Con base en lo anterior se considera que la semilla de mango, cáscara de mamey y cáscara de tamarindo son materiales biológicos que podrían ser útiles en procesos de tratamiento de remoción de Cr(VI).

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0 20 40 60 80 100

0 20 40 60 80 100 120

Tiem po (h)

Capacidad de remoción de cromo total (mg/g)

Cáscara de mamey Cáscara de tamarindo Semilla de mango

Figura 3. Capacidad de remoción de cromo total de la cáscara de mamey, cáscara de tamarindo y semilla de mango. A tiempos de contacto bajos, la semilla de mango exhibió la mayor capacidad de remoción de cromo total.

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CONCLUSIONES

1) Se identificaron 3 residuos agroindustriales que tienen una capacidad de remoción de cromo hexavalente superior a 70 mg de Cr(VI)/g.

2) En la remoción de cromo hexavalente por la cáscara de mamey, cáscara de tamarindo y semilla de mango están involucrados fenómenos tanto de biosorción como de reducción.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Agarwal, G.S.; Bhuptawat, H.K.; Chaudhari, S. (2006): Biosorption of aqueous chromium(VI) by Tamarindus indica seeds. Bioresource Technol., 97(7), 949-956.

2. Ahluwalia, S.S.; Goyal, D. (2007): Microbial and plant derived biomass for removal of heavy metals from wastewater. Bioresource Technol., 98, 2243–2257.

3. Álvarez-Ayuso, E.; García-Sánchez, A.; Querol, X. (2007): Adsorption of Cr(VI) from synthetic solutions and electroplating wastewaters on amorphous aluminum oxide. J.

Hazard. Mater., 142, 191 -198.

4. ATSDR (Agency for Toxic Substances and Disease Registry). (2000): Toxicological profile for chromium. Department of Health and Human Services, Public Health Service. Atlanta, GA.

5. Cabatingan, L.K.; Agapay, R.C.; Rakels, J.L.L.; Otens, M.; van der Wielen, L.A.M.

(2001): Potential of biosorption for the recovery of chromate in industrial wastewaters.

Ind. Eng. Chem. Res., 40, 2302-2309.

6. Fiol, N.; Villaescusa, I.; Martínez, M.; Miralles, N.; Poch, J.; Serrarlos, J. (2003):

Biosorption of Cr(VI) using low cost sorbents. Environ. Chem. Lett., 1, 135-139.

7. Gardea-Torresdey, J.L.; De la Rosa, G.; Peralta-Videa, J.R. (2004): Use of phytofiltration technologies in the removal of heavy metals: A review. Pure Appl.

Chem., 76(4), 801 -813.

8. Hach Company. (2002): Hach Water Analysis Handbook. 4^th. edition. Loveland, Colorado, USA.

9. Kratochvil, D.; Pimentel, P.; Volesky, B. (1998): Removal of trivalent and hexavalent chromium by seaweed biosorbent. Environ. Sci. Technol., 32, 2693-2698.

10. Kurniawan, T.A.; Chan, G.Y.S.; Lo, W.H.; Babel, S. (2006): Physico-chemical treatment techniques for wastewater laden with heavy metals. Chem. Eng. J., 118, 83- 98.

11. Melo J.S.; D’Souza, S.F. (2004): Removal of chromium by mucilaginous seeds of Ocimum basilicum. Bioresource Technol., 92(2), 151-155.

12. Mohan, D.; Pittman Jr, C.U. (2006): Activated carbons and low cost adsorbents for remediation of tri- and hexavalent chromium from water. J. Hazard. Mater., B137, 762-811.

13. Niu, H.; Volesky, B. (2006): Biosorption of chromate and vanadate species with waste crab shells. Hydrometallurgy, 84(1-2), 28-36.

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14. Park, D.; Yun, Y.S.; Jo, J.H.; Park, J.M. (2005): Mechanism of hexavalent chromium removal by dead fungal biomass of Aspergillus niger. Water Res., 39(4), 533-540.

15. Suksabye, P.; Thiravetyan, P; Nakbanpote, W.; Chayabutra, S. (2007): Chromium removal from electroplating wastewater by coir pith. J. Hazard. Mater., 141, 637 – 644.

16. WHO. (2003): Chromium in drinking water. Background document for development of WHO guidelines for drinking-water quality. World Health Organization. Geneva.