1.2 MARCO TEÓRICO
1.2.6 Carbón Vegetal
Proviene de materia prima que está formado por cascaras de nuez, coco, café, etc. la cual no se quema en su totalidad y llega hasta el proceso de carbonización.
Tiene propiedades las cuales lo hacen beneficiosos para su uso y son:
• Tienes una estructura porosa.
• El carbón es frágil por la naturaleza.
• Tiene densidad baja.
31 El Perú tiene al café como primer producto agrícola de exportación a nivel mundial alcanzo a ser el séptimo país que exporta café a nivel mundial. (MINAGRI, 2015).
Es necesario plantear esquemas de procesamiento y su reutilización de residuos de la producción del café, siendo este es un sistema de la economía mediana y de alta eficiencia en la producción de biomasa y de la generación de materia orgánica. (De La Rosa, 2019).
Tabla 6: Residuos obtenidos en el proceso industrial de café 1000 gramos
Fuente: (RRajcumar G. Graziosi, 2005) “Posibles usos alternativos de los residuos ysubproductos del café”
1.2.8 Borra de Café
En la tabla 5 se muestra que el proceso para la bebida del café alcanza 104 g de residuo, llamado como borra de café. De forma porcentual se tiene que por cada kilogramo se alcanza a desechar el 10.4%. llegando a ser un indicador de que existe gran contaminación de no llegarse a realizar un tratamiento preventivo para su posterior uso de ser el caso como por ejemplo el de abono u otros como la propuesta de este trabajo de investigación, lo que se puede identificar también desde un ámbito económico.
Una forma de darles valor a estos residuos es ser reutilizados por lo que se tiene las propuestas en la fabricación de carbón activo, briquetas, comp ostaje, exfoliantes, jabones, entre otros.
1.2.9 Carbón activado
El carbón activado químicamente está compuesto por hidrógeno, oxígeno, carbono hidrógeno y cenizas.
La superficie específica del carbón activado va desde 500 a 1500m2/g. es un material natural con gran capacidad adsorbente teniendo en cuenta que 1 gramo puede adsorber aproximadamente otro gramo de gas o de líquido.
La adsorción que lleva a cabo el carbón activo alcanza a la adsorción desde los colorantes, y olores, compuestos orgánicos, contaminantes volátiles, hasta compuestos halogenados (I, Cl, Br, H, F), herbicidas, pesticidas, insecticidas, detergentes, y algunos más derivados del petróleo, compuestos con trihalometanos, sólidos pesados (plomo, mercurio), compuestos fenólicos, ozono residual, gases, turbiedad, materia disuelta, sustancias activas AM y otros.
La perspectiva orgánica, para el carbón activo permite calificarlo mediante sus resultados carbonoso poroso el cual obtenido mediante pirolisis de un compuesto con origen carbónico activados con agentes físicos y agentes químicos como (H3PO4, ZnCL2, KOH, etc.) siendo este último la activación para este trabajo de investigación.
1.2.10 Método de activación del carbón 1.2.10.1. Activación física:
Este tipo de activación es conocida como activación térmica, mediante la gasificación del material carbonizado, se verán los resultados de la porosidad de los carbones teniendo en cuenta las temperaturas elevadas, en el proceso se eliminar el hidrogeno así también el oxígeno del precursor material carbonoso, teniendo finalmente con una estructura porosa elemental.
33 El incremento del área específica y el volumen de poros, se genera eliminando del sustrato los átomos de carbono mediante la gasificación y junto con ellos los productos volátiles en el proceso de la obtención del carbón, al exponerse a la atmosfera oxidante del vapor de agua, o de dióxido de carbono, o una mezcla de ambos (Luna, Gonzales, Gordon, &
Martin, 2007)
1.2.10.2.Activación química.
Este proceso consiste en la impregnación del agente químico al material carbonizado, para reducir la formación de materia volátil y de alquitranes, dentro de las soluciones más usadas se tiene al ácido fosfórico para luego calentar el material impregnado en un horno, a temperatura desde 500 hasta 700 ◦C. Al carbón resultante se elimina los restos de solución química mediante lavado. Este carbón es llamado carbón secundario. (Luna, Gonzales, Gordon, & Martin, 2007). La superficie específica del carbón activado puede ser neutra, ácida o básica esto se establece mediante los grupos funcionales presentes, el mecanismo de adsorción de los contaminantes químicos se da por el enlace que forman estos grupos funcionales con las especies químicas, por ejemplo, en los casos de adsorción de metales como contaminantes así también se menciona que de acuerdo a las experiencias que la eficiencia del carbón activo en la remoción de componentes orgánicos es menor. (Garza, 2010).
1.2.11 Cuáles son las Características del Carbón Activo.
Los carbones activos se caracterizan por el gran desarrollo del área específica interna y la porosidad desarrollada, la refinación que alcance el carbón activado influye en su sistema capilar, son los que definen su grado de adsorción, y que dependen de la forma de obtención considerando su tipo de activación. Los carbones activados requieren de controlar las condiciones de preparación por llegar a presentar una estructura micro
cristalina lo que lo asemeja con el sistema del grafito.
1.2.12 Estructura del poro
Según la fijación de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) para la distribución de la forma del poro según su espesor promedio.
• Microporo: Diámetro < a 2 nm
• Mesoporos: Diámetro de 2nm hasta 50nm .
• Macroporos: Diámetros > a 50 nm .
1.2.13 Granulometría del carbón activado
Es la distribución por tamaños de las partículas de un árido. Para conocer la distribución de tamaños de las partículas que componente una muestra de árido se separan estos mediante cedazos o tamices
% == Peso del carbón activado retenido en el tamiz
Peso inicial del carbón activado ∗ 100
La granulometría del carbón activado por 𝐻3𝑃𝑂4 se define por el tamaño de partículas del carbón, que como se aprecia en la tabla.
Tabla 7: Granulometría del carbón activado
N° Tamiz Peso
retenido(g)
Porcentaje retenido (%)
% retenido acumulado
% pasante acumulado
16 0.20 0.13 0.13 99.87
25 0.48 0.30 0.43 99.57
40 23.92 14.85 15.28 84.72
70 30.87 19.17 34.45 65.55
80 24.28 15.08 49.53 50.47
100 42.30 26.27 75.80 24.21
Base 38.99 24.21 100.00 0.00
35 Fuente: (Hidalgo Segovia & Rivera Garces, 2017)
1.2.14 Tipos de carbón activado
De acuerdo al procesamiento al que se somete, de granulación o pulverización, se tiene.
1.2.14.1.Polvo o Powdered Activates Carbónn ( PAC)
El cual se emplea en la preparación de medicinas antidiarreicas y adsorbente intestinal.
Los PAC presentan dimensiones inferiores a 100 µm, siendo los tamaños característicos entre 15 y 25 µm.
1.2.14.2. Granular o Granular Activated Carbón (GAC),
Con tamaño de poros desde 1- 5 mm, son usados para los filtros de columna en los tratamientos de agua a su vez estos pueden dividirse en:
1.2.14.2.1. Troceado. Por su obtención mecánica de la trituración, luego pasan al cribado.
1.2.14.2.2. Conformado. Por ser obtenidos por polinización o mezclado con distintas pruebas de aglomerados.
Figura 2: Tipos de carbón activado
Fuente: (Manual del carbón activado 2003)
1.2.15 Química superficial de los carbones activados
Cuando hablamos de heteroátomos se entiende que la superficie específica del carbón activo se encuentra en combinación con otros átomos distintos a los del carbono, en mayor o menor proporción lo que da lugar a los grupos superficiales presentes.
Figura 3: Principales grupos superficiales que pueden encontrarse en un carbón.
Fuente: (Manual del carbón activado 2003)
Los grupos oxigenados dan lugar a centros primarios de adsorción de moléculas de agua que a su vez adsorberán nuevas moléculas por formación de puentes de hidrógeno.
1.2.16 Esquema comparativo Carbón – Carbón activado.
Tabla 8: Esquema comparativo Carbón Vegetal y Carbón Activado
Carbón Vegetal Carbón Activado
Proceso Para obtener el carbón vegetal se queman materiales orgánicos o madera a temperaturas altas y en ausencia de oxigeno
Para el carbón activado es el residuo del material que se quema a altas temperaturas, la cual se le añaden otras sustancias
Propiedades Presentan propiedades como porosidad, baja densidad y tiene mala conductividad de calor y electricidad
El carbón activado presenta mayor área superficial lo cual hace que sea un buen adsorbente
37 Estructura porosa Tiene una estructura interna poco
porosa
La activación permite que la superficie tenga desarrollo de poros lo que presenta una mayor área superficial
Fuente propia
1.2.17 Adsorción
Es una operación unitaria de separación que, mediante la adherencia en un sólido de ciertos compuestos identificados en un líquido, estos pueden ser separados, ya sean iones, átomos o moléculas los compuestos a separar se confinan en los poros del sólido, siendo estos unidos por fuerzas de Van der Waals o incluso por enlaces químicos, presentándose en este caso la quimisorción. La Adsorción la podemos representar mediante la siguiente Rx.
Química.
𝐴 + 𝐵 = 𝐴. 𝐵
Donde:
A: Sustancia adsorbida o también llamado adsorbato B: Adsorbente.
A·B: Compuesto a partir de la adsorción.
1.2.18 Mecanismo de adsorción
Se produce si el adsorbato y la superficie del adsorbente interactúan sólo por medio de fuerzas de Van der Waals. Las moléculas adsorbidas están ligadas débilmente a la superficie y los calores de adsorción son bajos, apenas unos cuantos kJ, comparables al calor de vaporización del adsorbato. El aumento de la temperatura disminuye considerablemente la adsorción.
• Es un proceso exotérmico (las fuerzas de van der Waals son atractivas) en el que los calores liberados, ∆Hads (aprox. 20-40 kJ/mol) son semejantes a las entalpías de condensación de la sustancia adsorbida.
• La energía liberada es adsorbida en forma de vibración por la red del sólido y ∆H°ads
se puede medir por el aumento de temperatura de la muestra.
• La molécula fisisorbida mantiene su identidad ya que la energía es insuficiente para romper el enlace, aunque su geometría puede estar distorsionada.
• La fisisorción es un proceso no especifico ya que las fuerzas que intervienen no lo son y no existe una selectividad marcada entre adsorbato y adsorbente.
En general, los gases muy polarizables son adsorbidos más fácilmente.
• La fisisorción se produce en multicapas. Sobre una capa de gas fisisorbida puede adsorberse otra. La ∆Hads para la primera capa viene determinada por las fuerzas entre adsorbente (M) y adsorbato (A), mientras que la ∆Hads para las capas siguientes depende de las interacciones A-A y por tanto es similar a la entalpía de condensación.
1.2.19 Adsorbentes para la adsorción
El tratamiento de agua usa adsorbentes de resinas adsorbentes de intercambio iónico, óxidos metálicos, alúmina activada, arenas, carbón activado, y otros.
1.2.20 Modelos Matemáticos
Las ecuaciones que respaldan el comportamiento de la adsorción de forma experimental y que son usadas ampliamente son aquellas propuestas por Langmuir, Freundlich y Brunauer-Emmet y Teller.
39 Conocida por su amplia aplicación y su fundamento esta ecuación admite la relación para una adsorción física y química a temperatura moderada y presiones bajas, su ecuación general es:
𝐶𝑒
= 1 + 𝐶𝑒 𝑞𝑒 𝑄𝐾 𝑄
b) Freundlich
Este modelo relaciona al adsorbente y adsorbato, mediante el conocimiento de sus concentraciones. Su ecuación general es:
𝑞𝑒 = 𝐾(𝐶𝑒)1/𝑛
Donde:
n: Constante adimensional y depende de la temperatura.
c) Brunauer-Emmet y Teller (BET)
Este modelo describe satisfactoriamente las isotermas halladas a partir de datos experimentales. Mediante la ecuación que se presenta a continuación se puede determinar la superficie especifica correspondiente a un gramo de adsorbente.
El método BET, amplía el modelo de monocapa de Langmuir que surgió en 1938.
𝑃
𝑃𝑜 = 1 + 𝐶 − 1 ( ) 𝑃 𝑉(1 − ( 𝑃
𝑃𝑜 )) 𝐶 ∗ 𝑉𝑚 𝐶 ∗ 𝑉𝑚 𝑃𝑜
Donde:
P y Po: Presión en equilibrio y presión de saturación del adsorbato (T=temperatura de adsorción).
V: Volumen de gas adsorbido a presión (P).
Vm: volumen de gas adsorbido (en la monocapa) C: Constante BET.
Donde:
E1: calor medio de adsorción en la mona capa,
EL: calor de licuefacción del adsorbato o calor de vaporización
1.3 MARCO CONCEPTUAL
1.3.1 Agua Residual
De forma sencilla es el agua que ya se ha utilizado en cualquier uso. Al clasificarlas de acuerdo de donde fueron generadas se tiene a las aguas residuales: domésticas, industriales (caracterizadas o medidas y no medidas) y comerciales. (Sierra, 2011). La coloración de estas aguas residuales también brinda información, como en el caso de las domésticas son efluentes recientes cuando presentan una coloración gris y según van envejeciendo cambia a gris oscuro y finalmente negro, el negro representa zonas sépticas e indica la formación de sulfuros metálicos, en el caso de las aguas residuales industriales dan información de la contaminación y de los procesos de tratamiento en cuanto a su eficiencia. (Romero, 2013)
41 1.3.2 Azul de Metilo
Conocido también como azul de metileno originalmente fue sintetizado por el año 1876 para uso como tinte básicamente de anilina para su uso en la industria textil (Berneth, 2008), posterior a ello los o científicos Robert Koch y Paul Ehrlichs identificaron su potencial otro uso dentro de la microscopia como parte del método de tinción, el cloruro de metiltionina o azul de metileno , es un colorante orgánico de fórmula molecular C16H18N3SCl.3H2O y su código de clasificación según el Color Index es CI 52030. El amplio uso de este colorante en la industria textil, son la alta solubilidad, el brillo y resistencia, que se atribuye a su naturaleza catiónica (Moreno, Figueroa, & Hormaza, 2012).
1.3.3 Materia orgánica.
Nos enfocaremos sobre todo en la materia orgánica que está contenida en las aguas residuales estos compuestos orgánicos tienen gran capacidad de adsorción del oxígeno disuelto, llegando a generar una problemática ambiental en cuerpos de agua donde son vertidos las aguas residuales (Trapote, 2013).
1.3.4 pH.
Es la medida de la concentración de ion hidrógeno en el agua, se expresa con la relación del logaritmo negativo de la concentración molar de hidrógeno. Las aguas residuales en condiciones desfavorable de ion hidrógeno son dificultosos para un tratamiento biológico, Llegando alterar la biota decuerpos receptores y llegando a ser irremediables para los microorganismos. (Romero, 2013).
1.3.5 Temperatura.
La temperatura como magnitud física, permite identificar como influye sobre las aguas
residuales en sus características, lo mismo para las operaciones, los procesos, y en su disposición final (Romero, 2013). La temperatura es un factor que influye en el crecimiento de las poblaciones de los microorganismos desde 0°C - 100°C o más.
Considerando que a mayor temperatura las reacciones enzimáticas tienen mayor rapidez y por lo tanto el crecimiento es mayor. (Gonzales, 2012).
1.3.6 Microscopio Electrónico de Barrido (SEM).
Este tipo de instrumento crea una imagen ampliada de la superficie en observación. La practicidad y amplia visión que permite el SEM permite explorar las superficies punto por punto, su funcionamiento esta dado mediante el recorrido con un haz muy concentrado de electrones sobre la muestra, generando la dispersión de los electrones del haz en la muestra o provocar la aparición de electrones secundarios. Estos electrones ya sea los perdidos y los secundarios son recogidos y luego contabilizados mediante un dispositivo electrónico. Cada punto leído de la muestra corresponde a un pixel en un monitor de televisión. Cuanto mayor número de electrones sean contabilizados esto influye en el incremento del brillo del pixel que se observa en la pantalla. Por lo que a razón que el haz de electrones barre la muestra, se proyecta la imagen en el monitor del microscopio electrónico de barrido ya que logra ampliar las muestras hasta 200.000 veces o incluso más.
CÁPITULO II
PARTE EXPERIMENTAL
2.1 METODOLOGÍA
El método es de tipo experimental, donde para la caracterización del Carbón Activado se controlarán las variables independientes (la relación de impregnación de la solución
43 activadora en el del residuo de café, la temperatura de activación y la solución activadora (concentración).
2.2 DISEÑO EXPERIMENTAL
El diseño experimental fue desarrollado mediante el Diseño factorial 2k=23, con tres repeticiones, teniendo en cuenta:
Que se cuenta con 3 variables independientes (factores) las cuales se controlaran en dos niveles uno inferior y el otro superior los cuales son establecidos a partir de las referencias, permitiendo así el análisis de los efectos por la interacción de los factores.
.
Tabla 9: Diseño Experimental, 2 niveles y 3 factores.
Concentración [%P/V]
Relación de impregnación:
Residuo de café//H3PO4
Temperatura
°C Código
40
1/1
600 140600
700 140700
1/2
600 160600
700 160700
60 1/1
600 540600
600 540600
1/2
700 560700
600 560600
Fuente propia
2.3 MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
2.3.1 Materiales:
Pertenecientes al laboratorio de análisis químico de la Facultad de Ingeniería Química (FIQ) de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
✓ Percolador: Marca BUNN modelo VP17A—2, se usó para el filtrado de la borra de café.
✓ 1 pipeta de 2 ml.
✓ 1 propipeta.
✓ 6 matraces de 50 ml.
✓ 6 fiolas de 100 ml.
✓ 1 fiola de 1000 ml.
✓ vasos de precipitación de 50 ml.
✓ 6 embudos.
✓ 8 celdas para espectrofotómetro.
✓ Crisol.
✓ Varilla.
✓ Espátula.
✓ Reloj de Luna.
✓ Papel filtro cualitativo.
✓ Barra magnética.
45
✓ Piseta.
✓ Cronometro.
2.3.2. Reactivos
✓ Material Precursor: Residuo de café
✓ Azul de metileno: Colorante comercial BELE
✓ Ácido fosfórico: Reactivo comercial
✓ Agua destilada: Agua del laboratorio de no metálicos
2.3.3. Equipos
✓ Mufla “Alerta técnica” Se utilizó para la calcinación.
✓ Microscopio electrónico de barrido SEM: El equipo de la marca TescanMira 12 se utilizó para el análisis de la porosidad y el diámetro de poro.
✓ Balanza analítica: El equipo de la marca Adventurer Ohaus se utilizó para pesar en gramos el carbón activado.
✓ Espectrofotómetro: El equipo de la marca Shimadzu se utilizó para la lectura de absorbancia con una longitud de onda 650 nm.
✓ Agitador magnético: Se utilizó para el proceso de adsorción del colorante.
✓ Multiparámetro: Se utilizó para medir el pH de las muestras.
✓ Desecador: Se utilizó para secar los materiales usados.
2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.4.1. OBTENCIÓN DEL MATERIAL PRECURSOR.
La obtención del carbón activado se dio a partir del material precursor que es el residuo decafé arábico pasado de la ciudad de Chanchamayo, teniendo en cuenta que el residuo del café pasado fue recolectado de los Catering en la ciudad de Huancayo previa coordinación alcanzándose recolectar 6 kg.
2.4.1.1 Lavado.
A 200 g del residuo recolectado se le lavó con agua destilada hasta que el lixiviado sea de un color claro luego el residuo de café como precursor del carbón fue llevado a un horno a 60°C para ser secado hasta obtener un peso constante.
2.4.1.2 Cribado
Teniendo en cuenta que la homogeneidad del tamaño de las partículas influye para una carbonización y activación uniforme, se procedió a clasificar mediante el tamaño de partícula hasta obtener 136 g de material a un tamaño de 1,18 mm.
2.4.1.3 Carbonización del material precursor
Al material seleccionado se carboniza para eliminar elementos como oxigeno y nitrógeno, este proceso se realiza en una atmosfera en ausencia de agentes oxidantes para eliminar las sustancias volátiles y dejar residuos carbonosos que será el que luego se someta a la activación. (Soto Paredes, 2007).
2.4.1.4 Dilución del ácido fosfórico como solución activadora:
Para esta preparación se utilizó una solución de 100 ml de ácido fosfórico que tiene una concentración de 85 % P/V, H3PO4 al 40% y 60% a partir del
H3PO4 es para ello que se usó la siguiente ecuación:
47 Donde:
C1: Concentración del H3PO4 en (%)
V1: Volumen que se sacó del frasco de 85% en (ml) 𝐶2: Concentración calculada (%)
V2: Volumen que se preparó (ml)
❖ H3PO4 a una concentración de 40%:
85% x V1 = 40% 𝑥 0.1 𝐿
V1 = 0,0470 L = 47,06 ml
Finalmente: Se extrajo 47,06 ml de H3PO4 al 85 % y se aforo a 100 ml.
❖ H3PO4 a una concentración de 60%:
85% x V1 = 60% 𝑥 0.1 𝐿
V2 = 0,07058 L = 70,58 ml
Finalmente: Se extrajo 70,58 ml de H3PO4 al 85 % y se aforo a 100 ml.
2.4.2. ACTIVACIÓN DEL CARBÓN CON ÁCIDO FOSFÓRICO
Primero se impregno con 10 ml de H3PO4 al 40% en volumen, a 10 g al residuo de carbón carbonizado removiendo para homogenizar la mezcla a una temperatura promedio de 20°C. luego se llevó a pirolisis, donde aproximadamente hasta alcanzar los 600°C durante dos horas luego las muestras se enfriaron en el horno con la misma atmósfera. Se realizó el mismo proceso con el H3PO4 al 60%, Así también con ambas muestras, pero en este caso hasta alcanzar una temperatura de 700°C. Pasado las 24 horas, utilizando
agua destilada se lavó el material carbonizado controlando la conductividad del efluente hasta próxima a del agua así también se controló el pH constante (Patnukao & Pavasant, 2008).
2.4.3. PROPIEDAD TEXTURAL
El estudio de la textura porosa de cualquier tipo de sólido es mediante la adsorción física de gases y vapores en sólidos, en la textura porosa deun sólido se determina los parámetros de: superficie específica, volumen de poros y distribución de tamaño de poros. Los gases con los que se aplica la técnica de adsorción pueden ser (N2, 𝐶𝑂2, hidrocarburos, etc..) a temperatura constante, obteniéndose así la isoterma de adsorción. En esa investigación se ha realizado la adsorción sobre los carbones activados con el gas de nitrógeno (N2) a temperatura de 77 K. La adsorción, se lleva a cabo en el equipo de Micromeritics Accusorb 2100, donde antes de cada análisis las muestras se desgasifican a 2 mmHg de presión y a 300ºC de temperatura. Para medir el volumen del nitrógeno adsorbido se tendrá en cuenta la variación de la presión relativa de 10-7 a 0,995.
Se determinó el área específica mediante la técnica conocida como método BET, será el inicio de la caracterización en cuanto a la superficie del carbón activado a partir del residuo del café, el método BET, es reordenada en conveniencia del análisis.
𝑃 𝑃𝑜 𝑉(1 − (𝑃
𝑃𝑜)
= 1
𝐶 ∗ 𝑉𝑚+ 𝐶 − 1 𝐶 ∗ 𝑉𝑚(𝑃
𝑃𝑜)
Donde: