UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
r
~"CARBONES ACTIVADOS DE CÁSCARAS DE COCO:
SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y APLICACIÓN EN LA ADSORCIÓN DE PLOMO Y MERCURIO
DESDE SOLUCIONES ACUOSAS"
PRESENTADA POR:
Baeh. YANCESAYASOscarArnold Baeh. ZÁRATE SALAZAR Abel CUII
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE~:
INGENIERO QUÍMICO
HUArft:AVO - PERÚ 2008
"CARBONES ACTIVADOS DE CÁSCARAS DE COCO:
SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y APLICACIÓN EN LA ADSORCIÓN DE PLOMO Y MERCURIO DESDE
SOLUCIONES ACUOSAS"
ASESOR:
Dr. SALVADOR BELISARIO BENDEZÚ MONTES.
DEDICATORIA
A Dios mi Padre Celestial que me bendijo con toda bendición, a mis padres por el amor y apoyo que me brindaron durante mi existencia, A mis hermanos por ser una motivación especial, que con su ejemplo me enseñaron a enfrentar la vida, A Dana compañera fiel, por su amor y apoyo permanente, por ser la fuerza que me mantuvo de pie en los momentos difíciles.
Abe l.
Al Supremo Creador, por todo lo que me ha dado hasta hoy, a toda mi familia que ha sido y será la mayor razón de mi esfuerzo y motivación en la vida y a todos aquellos que con una palabra lograron contribuir con mi esmero y la voluntad diaria.
Osear.
AGRADECIMIENTO
A nuestro asesor, el Dr. Salvador Bendezú Montes por el apoyo, los consejos, las pautas, por guiarnos día a día hasta la culminación de nuestro proyecto, a los docentes Ingenieros Rafael García y Lluvias Muñoz de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Concepción, Concepción, de Chile por el análisis textura! de los carbones activados, y a los docentes de la facultad de Ingeniería Química que de una u otra forma nos motivaron a superarnos personal y académicamente.
RESUMEN
En la presente investigación se sintetiza, carbones activados, a partir del precursor, cáscaras de coco, mediante activación química, con cloruro de zinc (ZnCb), en atmósfera inerte de nitrógeno (N2)g, y mediante gasificación parcial con dióxido de carbono (C02)g, los cuales se caracterizaron y aplicaron en la adsorción de plomo y mercurio desde soluciones acuosas, en función de la razón agente activante/precursor, pH de la solución y la temperatura de activación.
El carbón activado, CZ7 -900C02 mostró la mayor adsorción de la serie, adsorbiendo 328,4 mg de mercurio y 226 mg de plomo por gramo de carbón activado, respectivamente, desde soluciones acuosas, dicho carbón, además, tiene mayor propiedad adsorbente que el carbón comercial (Riedel de Haen) que adsorbió 92 mg de mercurio y 81 mg de plomo por gramo de carbón activado, desde soluciones acuosas, respectivamente.
Los carbones Activados obtenidos muestran un área superficial y volumen de poro del orden de 1316 m2 y 0,77 cm3 por gram9 de carbón activado, CZ7 -900C02; mediante espectroscopia de infrarrojo se determino la presencia de grupos funcionales como los hidroxilos y carbonilos, responsables de la elevada propiedad adsorbente de los activados.
INTRODUCCION
Las actividades industriales minero-metalúrgicas y agrícolas ponen en gran riesgo el medio ambiente debido al alto contenido de plomo y mercurio presentes en las aguas residuales y el aire deteriorando la salud de los seres vivos.
La presencia de plomo en el agua procedente de las tuberías y el aumento de plomo en la atmósfera debido a su empleo como antidetonante en las gasolinas, y el mercurio en forma de compuestos órgano mercuriales empleado como fungicidas en el tratamiento de granos están deteriorando el medio ambiente. Debido a la necesidad de remover dichos elementos desde las aguas residuales, surge una alternativa de solución que consiste en la aplicación de carbones activados. Los carbones activados tienen una gran aplicación en lo que a adsorbentes se refiere, teniendo una gran área superficial y volumen de poros, la investigación trata de la obtención de carbones activos a partir de cáscaras de coco usando como agente activa_nte el cloruro de zinc, los cuales serán empleados en la remoción de plomo y mercurio.
El presente trabajo se divide en tres capítulos:
El Capitulo 1, consta de la revisión bibliográfica.
El Capitulo 11, describe la parte experimental: metodología, materiales, reactivos y equipos que se utilizaron para el desarrollo del trabajo.
El Capitulo 111, muestra los resultados obtenidos y la discusión de los mismos.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
• Sintetizar y caracterizar carb.ones activados y aplicarlas en la adsorción de Plomo (11) y Mercurio (11) desde soluciones acuosas.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
• Preparar carbones activados a partir de cáscaras de coco mediante activación química con cloruro de zinc (ZnCb).
• Caracterizar los carbones activados textura! y químicamente.
• Medir la adsorción de plomo y mercurio desde soluciones acuosas con los carbones activados obtenidos.
• Comparar las propiedades adsorbentes de los mejores carbones activados obtenidos con un activado comercial.
NOMENCLATURA
Yg: Masa o volumen de gas adsorbido por unidad de masa-área del adsorbato.
P: Presión de gas en equilibrio.
a,b: Constantes que dependen del sistema en consideración (porosidad, tamaño de partícula, concentración de los solutos, pH del medio , T0 y otros).
Y: Cantidad de Pb (o Hg) retenido por gramo de carbón activo, mg Pb (o Hg/gc.a.)
t: Tiempo de absorción en minutos.
0: Diámetro promedio de los trozos de cáscaras de coco para impregnación.
Vr: Velocidad de rotación en la impregnación de cáscaras de coco en RPM (revoluciones por minuto).
T0: Temperatura (de activación, de medio de remoción, y otros) en °C.
(N2)1: Nitrógeno liquido.
(N2) 9 : Cantidad de flujo volumétrico de Nitrógeno Gaseoso para la
gasificación en la activación de carbones en cm3/min.
(C02) 9 : Cantidad de flujo volumétrico de Dióxido de Carbono Gaseoso para la gasificación parcial en la activación de carbones en cm3/min.
CZX-T0N2-C02: Sistema de codificación de los carbones activados obtenidos.
%A: Porcentaje de absorción de carbones activados Ci: Concentración inicial de la solución en ppm.
Cf: Concentración final de la solución en ppm.
C/: Concentración leída de la solución concentrada adsorbida ppm.
Ct: Concentración teórica de la solución concentrada ppm.
Fe: Factor de corrección.
Fd: Factor de dilución.
Vi: Volumen inicial en mi.
Vf: Volumen final en mi.
P0 : Presión de vapor de nitrógeno en el equilibrio (760 mmHg) ..
PIP0 : Presión relativa.
C: Constante relacionada con el calor de adsorcion.
N: Cantidad de moléculas adsorbidas por gramo de muestra.
Nm: Cantidad de moléculas adsorbidas formando una monocapa por gramo de muestra.
SaEr: Área superficial del sólido, (m2/g).
(AN2): Área que ocupa la molécula de adsorbato, en este caso 16.2
A
2 parael nitrógeno.
8: Recubrimiento superficial.
V: Volumen (cm3) de adsórbalo liquido que llena parcialmente los microporos a la presión P por gramo de muestra.
D: Constante que es función del coeficiente de afinidad y la temperatura.
Xi: Razón ZnCI2/Precursor.
Vo: Volumen del microporo, cm3.
Vt: Volumen total de poros, cm3.
Vm: Volumen de mesoporos, cm3.
M: Peso molecular del adsorbato (N2), 28,0 g/mol.
d(N2): Densidad de la fase adsorbida (N2), 0.81 g/cm3 NA: Numero de Avogadro, 6,02x1 023 moléculas/mol.
CC: Carbón comercial (Riedel de Haen).
Dedicatoria Agradecimiento Resumen Introducción Objetivos
INDICE DEL CONTENIDO
• Objetivo General
• Objetivos Específicos Nomenclatura
Índice del Contenido Índice de Figuras Índice de Tablas CAPITULO 1 MARCO TEORICO
1.1 Antecedentes 1.2 Marco Conceptual
1.2.1 Carbón Activado 1.2.1.1 Materia Prima
1.2.1.2 Preparación de los carbones activados 1.2.1.3 Propiedades Fisicoquímicas
1.2.1.4 Estructura de los Carbones Activos 1.2.1.5 Usos del Carbón Activado
1.3 Adsorcion
1.3.1 Adsorcion Física
¡¡¡
iv
V
vi vii
viii xi
XV
xix
20 22 22 23 24 25 26 28 30
31
1.3.2 Adsorcion Química 1.3.3 Isotermas de Langmuir 1.4 Mercurio
1.4.1 Características Químicas y físicas 1.4.2 Efectos Característicos
1.4.3 Comportamiento en el Medio Ambiente 1.5 Plomo
1.5.1 Características Físicas y Químicas 1.5.2 Efectos Característicos
1.5.3 Comportamiento en el medio Ambiente CAPITULO 11
PARTE EXPERIMENTAL
2.1 Síntesis de los Carbones Activados 2.1.1 Materia Prima
2.1.2 Impregnación
2.1.3 Carbonización -Activación
2.1.4 Lavado de los Carbones Activados 2.1.5 Secado
2.1.6 Gasificación
2.1. 7 Codificación de los carbones activados 2.2 Adsorción de Plomo y mercurio
2.2.1 Proceso de Adsorcion 2.2.2 Medición de la Adsorcion
2.3 Influencia de la Temperatura de Activación
32 32
36
36 37 39 41 41 43 45
49 49 50 50 51 51 51 52 54 54 54 55
2.4 Influencia de la Razón Agente Activante/Precursor 56
2.5 Efecto del medio de Activación 56
2.6 Influencia del pH de la solución 56
2. 7 Caracterización de los carbones activados 57
2.7.1 Caracterización Física 57
2.7.2 Caracterización Química 60
2.8 Comparación con el Carbón Comercial Riedel de Haen 61 CAPITULO 111
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Obtención de los Carbones Activados 64
3.2 Remoción de Pb(ll) y Hg(ll), y el Efecto de la Razón Agente
Activante 1 Precursor 68
3.3 Influencia de la Temperatura de Activación 3.4 Efecto del Medio de Activación
3.5 Influencia del pH de la Solución
3.6 Área Superficial y el Volumen de Poros
71
74
75 78
3. 7 Química Superficial de los Carbones Activados 82 3.8 Comparación de Remoción de Hg (11) y Pb (11), con Carbones Activos Obtenidos en Laboratorio Frente al Carbón Activado Comercial Riedel de Haen
CONCLUSIONES
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ANEXOS:
ANEXO A: Tablas de Adsorciones desde Soluciones Acuosas
85
87 89
94
Tabla A 1.- Tablas de Remoción de Azul de Metileno para pruebas de adsorcion con carbones activados obtenidos en laboratorio. 94 Tabla A2.- Tablas de Remoción de Hg (11) Y Pb (11) y el Efecto de la Razón
Agente Activante/Precursor. 96
Tabla A3.- Tablas de Remoción de Pb (11) Y Hg(ll) para Isotermas de adsorcion con el Carbón Activado Comercial Riedel de Haen. 99 Tabla A4.- Tablas de Remoción de Pb (11) Y Hg(ll) a diferentes pHs de la
soluciones acuosas. 100
ANEXO B: Determinación del Área Superficial Específica y Volumen. de Microporos de los Carbones Activados Obtenidos
1°. Obtención del Área Superficial Especifica 2°. Obtención del Volumen de Microporos
101 101 103
ANEXO C: Tablas de Frecuencias de Distinción de Grupos Funcionales en
Espectroscopia de Infrarrojos 105
TABLA Ct.- Tabla de Gráficos de Correlación para Identificación de grupos
Funcionales Orgánicos. 105
TABLA C2.- Algunas Bandas Características de Flexión C-H Fuera del Plano de Compuestos Etilénicos y algunos Aromáticos. 105
TABLA C3.- Tabla de Frecuencias de Grupos Orgánicos. 106
ANEXO D: Figura de comparación de espectros de diferentes muestras. 106
INDICE DE FIGURAS
Fig. 01.- a) Una forma de Carbón Activado Comercial b) Fotografía de la
superficie porosa del Carbón Activado 23
Fig. 02.- a) Estructura del Carbón Activado Físico b) Estructura del Carbón
Activado Esquemático 27
Fig. 03.- Captación de soluto dentro de una partícula del Adsorbente. 30 Fig. 04.- Formas representativas de isoterma experimental de adsorcion. 33 Fig. 05.- Diagrama de bloques para la obtención de Carbones Activados a
partir de cáscara de Coco como precursor y Cloruro d Zinc (ZnCb)
como Agente Activante. 53
Fig. 06.- Remoción de Azul de Metileno desde soluciones acuosas por los carbones activados de la serie S800-N2. Influencia de la razón de impregnación (ZnCI2/Precursor). Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm de Azul de Metileno, Temperatura ambiente. 65 Fig. 07.- Remoción de Azul de Metileno desde soluciones acuosas por los
carbones activados de la serie S900-C02. Influencia de la razón de impregnación (ZnCI2/Precursor). Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm de Azul de Metileno, Temperatura ambiente. 66 Fig. 08.- Remoción de Azul de Metileno desde soluciones acuosas por los
carbones activados de la serie S700-N2 y S700-C02.
Comparación entre los medios de activación (inerte de N2 y Gasificación parcial con C02). Condición: Concentración inicial=
Fig. 09.- Remoción de Pb(ll) desde soluciones acuosas por los carbones activados de la serie CZ900. Influencia de la razón de impregnación (ZnCb/Precursor). Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm Pb(ll), Temperatura ambiente. 69 Fig. 10.- Remoción de Hg(ll) desde soluciones acuosas por los carbones
activados de la serie CZ900. Influencia de la razón de impregnación (ZnCI2/Precursor). Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm Hg(ll), Temperatura ambiente. 69 Fig. 11.- Remoción de Pb(ll) y Hg(ll) desde soluciones acuosas por los
carbones activados de la serie CZ900. Influencia de la razón de impregnación (ZnCI2/Precursor). Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm Pb(II)-Hg(ll), Temperatura ambiente. 70 Fig. 12.- Remoción de Pb(ll) desde soluciones acuosas por los carbones
activados de la serie CZ700, CZ800 y CZ900. Influencia de la temperatura de activación. Condiciones: Concentración inicial=
1000 ppm Pb(ll), Temperatura ambiente. 71 Fig. 13.- Remoción de Hg(ll) desde soluciones acuosas por los carbones
activados de la serie CZ800 y CZ900. Influencia de la temperatura de activación. Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm
Hg(ll), Temperatura ambiente. 72
Fig. 14.- Remoción de Pb(ll) desde soluciones acuosas por los carbones activados de la serie CZ7. Influencia de la temperatura de activación. Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm Pb(ll),
Temperatura ambiente. 73
Fig. 15.- Remoción de Pb(ll) desde soluciones acuosas por los carbones activados de la serie CZ900N2 y CZ900C02. Influencia del medio de activación. Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm
Pb(ll), Temperatura ambiente. 75
Fig. 16.- Influencia del pH de las soluciones acuosas en la remoción de
Pb(ll) de la serie CZ900. 76
Fig. 17.- Remoción de Hg(ll) desde soluciones acuosas por los carbones activados de la serie CZ? Influencia del pH del la solución.
Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm Hg(ll), Temperatura
ambiente. 77
Fig. 18.- Remoción de Pb(ll) y Hg(ll) desde soluciones acuosas por los carbones activados de la serie CZ?OO. Influencia del pH de la solución. Condiciones: Concentración inicial= 1000 ppm Pb(ll) y
Hg(ll), Temperatura ambiente. 77
Fig. 19.- Área superficial disponible del adsorbato con respecto a cada uno de los carbones activos obtenidos de la serie CZ900, que incluye el carbón CZ7 -900N2 con fines comparativos. Condiciones de
adsorcion de N2 a -196 °C. 78
Fig. 20.- Isotermas de absorción de N2 a -196
oc
de la serie de carbones activos CZ900, el carbón -comercial CC (Riedel de Haen), y para fines de comparación el carbón CZ? -900N2 . 80Fig. 21.- Curvas de adsorcion N2 a -196 °C del carbones activos CZ? -900 (Z?), el carbón activo CZ?-700 (Z9), el carbón activo CZ?-800 (Z1 O) y el carbón -comercial CC (Riedel de Haen), Influencia de la temperatura de activación y el tamaño de poro. 81 Fig. 22.- Espectro Infrarrojo del Carbón Activado Obtenido CZ7-900C02. 83 Fig. 23.- Espectro Infrarrojo del Carbón Activado Obtenido CZ7-700C02 83 Fig. 24.- Espectro Infrarrojo del Carbón Comercial Riedel de Haen. 84 Fig. 25.- Remoción de Pb(ll) y Hg(ll) desde soluciones acuosas por los carbones activados CZ1-900, CZ?-900 y el carbón comercial Riedel De Haen (CC). Comparación en la capacidad de adsorcion.
Condiciones: Concentración inicial = 1000 ppm Pb(ll) y Hg(ll),
Temperatura ambiente. 86
Fig. 26.- Espectros Infrarrojos de comparación entre algunos Carbones Activados Obtenido de las series CZ7 -900C02, CZ7 -900N2, CZ7- 700C02 Y del Carbón Comercial RIEDEL DE HAEN. 106
INDICE DE TABLAS
Tabla 1.- Propiedades Físicas de Materiales Adsorbentes. 21 Tabla 2.- Carbones Activados obtenidos en sus diferentes condiciones del
medio de Activación y Temperatura. 64
Tabla 3.- Caracterización Textura! de Carbones Activados Serie CZ900. 81
CAPITULO 1
MARCO TEÓRICO
1.1 ANTECEDENTES
Las propiedades adsorbentes del carbón se conocieron y se estudiaron antes de que se ideara la expresión de carbón activado. Por consiguiente, la historia primitiva de este producto está en la literatura sobre el carbón vegetal y el carbón de otros productos: Huesos, sangre, etc. (1 ).
La capacidad del carbón vegetal para eliminar el color en una solución se conocía ya en el siglo XV, para la primera alusión para este respecto aparece en el año 1785 (1 ).
Hoy en día los carbones activados tienen aplicaciones industriales:
adsorción de sustancias polares y no polares, halogenadas, depuración
residuales tratadas. Además, los carbones activados son utilizados como soportes de catalizadores, aunque inicialmente eran utilizadas por sus propiedades decolorantes {1 ). En la tabla 1, se muestra las propiedades físicas de los Materiales adsorbentes más conocidos, de los cuales el que tiene mayor capacidad adsorbente es el carbón activado {2).
Tabla 1
Propiedades Físicas de Materiales Adsorbentes
Área Volumen de Material superficial micro~oro
mz/g cm /g Carbones activados 500-1500 0,3-0,5 Arcillas activadas 150-225 0,4 Geles de sílice 200-600 0,3-0,45
Piedra pómez 0,38 0,05-0,15
Alúminas activadas 175 0,39
La preparación del carbón activado comprende dos etapas; la primera consiste en una carbonización del material base (precursor) donde se extraen los componentes volátiles, la segunda etapa es la fase de activación, la activación del carbón consiste en multiplicar la cantidad de poros para darle una gran área superficial y así llevar a cabo el proceso de adsorción {3).
Existen básicamente dos procesos por los cuales se puede lograr la activación:
a. Proceso físico.- que consiste en oxidar la materia prima a altas temperaturas, en presencia de un agente oxidante como el
co2
(g) o agua vapor.b. Proceso químico.- que se basa en la deshidratación de la materia prima mediante sustancias químicas a temperaturas medias. Los agentes activantes son: ácido fosfórico, cloruro de zinc, hidróxido de potasio (1 ).
Todas las sustancias usadas en el proceso de activación química, tienen en común, que ellos son agentes deshidratantes que influyen en la descomposición pirolítica e inhiben la formación del alquitrán, realzando de esta manera la producción de carbón.
1.2 MARCO CONCEPTUAL 1.2.1 CARBON ACTIVADO
El carbón activado es un producto que se produce específicamente para alcanzar una superficie interna muy grande (500-1500 m2 por gramo).
Bonsal et al. Define al carbón activado como una sustancia que incluye un alto rango de material de carbón amorfo, como se muestra en la Fig 01 b. Preparado para exhibir un alto grado de porosidad y área superficial muy grande (4).
Existe varios tipos de carbón activo, según la materia prima, el tipo de activación y la duración de proceso de activación, pero en cualquier caso, se caracteriza por su pequeño
y homogéneo tamaño y su estructura interna, formada por un gran número de poros de tamaño similares que se puede alcanzar (1 ).
a) b)
Fig. 01.- a) Una forma de Carbón Activado Comercial (1°G)
b) Fotografia de la superficie porosa del Carbón Activado (2°G)
1.2.1.1 Materia prima
La materia prima que se utiliza para producir el carbón son los carbones porosos todos ellos se obtienen como residuo después de extraer los compuestos volátiles de los materiales carbónicos mediante un proceso de calcinación; entre los materiales carbonosos se tiene por ejemplo las cáscaras de coco, la madera, la turba, el lignito y el petróleo (3).
Aunque estos materiales son muy adecuados tienen algunas desventajas, ya que son difíciles de controlar sus propiedades, es por eso que se realizaron
estudios en los cuales se emplean materiales sintéticos crudos, resinas fenólicas, etc., como materia prima (5).
1.2.1.2. Preparación de los carbones activados:
La preparación de los carbones activos comprende dos etapas:
Una pirolisis de material para convertirlo en carbón vegetal para lo cual se calcina a temperatura menor de 600°C en ausencia de aire (1 ).
La activación propiamente dicha, en la cual se ordenan los átomos de carbono del material en una estructura cristalina semejante a la del grafito con la cual se logra un área superficial grande (1 ).
Proceso físico
Consiste una oxidación controlada a 900°C, cuyo poder oxidante se reduce mediante la inyección de gas carbónico y vapor de agua. El tratamiento es relativamente largo (de 1 O a 48 horas), en el se destruye la totalidad de materias volátiles residuales y se desarrolla la superficie del carbón desde 600 hasta 1500 m2 por gramo (1 ).
Proceso químico
Este proceso consiste en carbonizar los productos volátiles residuales que quedan en el carbón vegetal por calentamiento y presencia de reactivos tales como cloruro de zinc, ácido sulfúrico, etc. Estos compuestos actúan como deshidratantes, la deshidratación se lleva a acabo a una temperatura media de 400 a 600°C (1 ).
1.2.1.3 Propiedades Fisicoquímicas
El carbón activado posee dos propiedades principales que son responsables del carácter adsorbente del mismo:
-La distribución de tamaño de poro y su área superficial.
-La reactividad química de superficie.
La estructura del poro: Estos poros se dividen según su tamaño: En macroporos con un diámetro mayor a 50nm., mesoporos entre 50 y 2nm. y microporos con diámetro inferior a 2nm (1 ).
La mayor porción de área de la superficie se deriva de los microporos de diámetro pequeño y de las regiones porosas transitorias de diámetro ·mediano; se ha descubierto que en las aplicaciones en fases líquidas y gaseosas los microporos son más efectivos en atrapar
moléculas pequeñas. La región de poros transitorios se ajusta mejor a la adsorción de especies moleculares grandes (1 ).
Para los carbones con predominio de micro poros, el área superficial es increíblemente grande.
La reactividad química: La capacidad de adsorción del carbono activado se determina por la naturaleza de las superficies químicas del carbón está propiedad está en función del contenido de ceniza, la composición de la ceniza y el pH (3).
1.2.1.4 Estructura de los Carbones Activados
La porosidad del material es básicamente la conformación de la estructura de los materiales carbonados, la construcción de estos se basa en hojas grafíticas, las cuales se caracterizan por enlaces covalentes fuertes en el plano basal a tres carbones adyacentes (6).
Existen dos tipos de estructuras genéricas, la primera consiste en cristalitos elementales, los cuales son bidimensionales y análogos al grafito, poseen capas paralelas de átomos de carbono ordenado hexagonalmente, las segunda se describe como una red
a)
espacial desordenada de hexágonos de carbono unidos en cruz, esta se muestra en la Fig.2b, los cuales resultan de su deflexión desde los planos de la red grafítica (7) ..
b)
Fig. 02.- a) Estructura del Carbón Activado Físico WG)
b) Estructura del Carbón Activado Esquemático (3°G)
El desorden de los carbones activados depende de las condiciones de preparación y la naturaleza de los precursores. Las unidades estructurales básicas (BSU) de los carbones están compuestas por pequeños anillos aromáticos planos, formados durante el primer estado de carbonización (8). En este estado, ellos son fortuitamente orientados. No obstante al incrementar la temperatura del tratamiento, ellos se orientan por si mismos en forma paralela. A este proceso, se le conoce como orientación molecular local (LMO), el cual depende de la
temperatura de tratamiento y la composición química del precursor {9).
Según estudios experimentales, el proceso de adsorciones es solo participe de alguna parte de la superficie, esto es explicable suponiendo que la superficie es heterogénea y que algunas sustancias son adsorbidas solamente por áreas mas activas, que son los centros activos. Según esta teoría el aumento de la capacidad adsorbente de un carbón activo va asociado a la formación de nuevos centros activos; por lo mismo que un carbón activo no es una sustancia pura, sino que contiene otros elementos unidos a los átomos de carbono por enlaces químicos {1 ).
1.2.1.5 Usos Del Carbón Activado
Los usos del carbón activado son múltiples y estos pueden ser: {1 ,3)
Adsorción de sustancias no polares como:
• Aceite mineral
• Poli-hidrocarburos aromáticos
• Fenal, etc.
Adsorción de sustancias halogenadas.
• Tratamiento de vinos.
• Tratamiento y purificación de esencias y fragancias.
• Refinamiento de las aguas residuales tratadas.
• Tratamiento de alcohol y kerosén.
De aquí que son usados para remover contaminantes orgánicos de agua potable y aguas residuales (10).
Los carbones activados hoy en día son utilizados ampliamente y con mucha importancia, tales como en mascarillas militares e industriales para la protección contra casi todos los vapores tóxicos orgánicos; el uso comercial más importante tal vez del carbón activo sea la recuperación de vapores de disolventes mezclados con aire (1).
En cuanto a adsorcion liquida podemos incluir:
• Recuperación de productos químicos biológicos (Antibióticos, vitaminas, saborizantes) (11 ).
• Separación de hidrocarburos isoméricos aromáticos o alifáticos (12).
• Recuperación de oro después de su extracción del mineral por procedimiento con cianuro (13).
En cuanto a grasas y aceites comestibles figuran entre las primeras que empelaron carbones activos para fines de recuperación (1 ).
1.3 ADSORCIÓN
Cuando una partícula choca contra una superficie sólida puede ocurrir que simplemente rebote manteniendo el ángulo de incidencia igual al de reflexión, o que pueda ser retenida en la superficie; este último recibe el nombre de adsorción. La retención de las partículas puede atribuirse a fuerzas de atracción existentes en la superficie del sólido originada por la falta de compensación de atracciones o enlaces de los átomos superficiales. (14)
Los adsorbentes son materiales naturales o sintéticos de estructura amorfa y microcristalino, estos toman y almacenan solutos por medio de partículas adsorbentes dentro de los poros de las superficies de los mismos como muestra la Fig. 03
Capa adscrbida sobre las superficies
So!u1o absorbido dentro del sólido
Fase ftuida dentro de los poros
Fig. 03.- Captación de soluto dentro de una partícula del Adsorbente. (40)
(1 ).- Difusión en el estado sorbido o difusión en la fase de partícula.
(2).- reacción en los límites de la fase.
(3). Difusión en el poro para la fase fluida dentro de las partículas.
(4).- Transferencia de masa entre las fases externas.
Por lo tanto la adsorción es el proceso mediante el cual las moléculas de los fluidos (adsorbato) se adhieren a las superficies de un sólido (adsorbente) por fuerzas químicas o físicas (15).
1.3.1 Adsorción Física
Conocida como fisisorcion, corresponde a una interacción de naturaleza puramente electrostática entre el adsorbato y el adsorbente, esta se origina por la atracción entre los dipolos permanentes o inducidos, sin alteración de los orbitales atómicos o moleculares de las especies comprometidas (16).
La adsorcion física como estudio es útil para la determinación de las propiedades de catalizadores sólidos. De esta forma las propiedades de área superficial y distribución de tamaño de poro de los catalizadores, puedes evaluarse en base a mediciones de adsorcion física (2).
En este proceso generalmente las sustancias adsorbidas no penetran dentro de la red cristalina ni se disuelven en ella, sino que permanecen totalmente en la superficie, pero si el sólido
es muy poroso y contiene pequeños capilares, la sustancia adsorbida penetrara en estos pequeños intersticios si es que la sustancia humedece al sólido (17). Además de esto estas atracciones por lo general son débiles y el calor desprendido durante el proceso es bajo (0.5 a 5 Kcal/mol.g) (2).
1.3.2 Adsorción Química
Conocida como quimisorción, corresponde a una interacción del tipo químico, en la que los electrones de enlace entre el adsorbato y el adsorbente experimentan un reordenamiento y los orbitales respectivos cambian de forma o grado de ocupación, de modo semejante a una reacción química;
pero no siempre la alteración electrónica es completa en el sentido de los enlaces químicos covalente o iónico. A la vez este tipo de adsorcion es más fuerte que la física, las moléculas adsorbidas se retienen en la superficie por medio de fuerzas de valencia del mismo tipo que las que se presentan entre átomos en las moléculas (18).
1.3.3 Isotermas de Langmuir
Las isotermas son sistemas de dos componentes cuyas curvas simples se relacionan entre si, estas entre la concentración adsorbida y ya sea el caso pueden ser presiones parciales, tiempo y otros. Esos datos de equilibrio puedes ser
expresado en forma de registros gráficos tabulados basados en mediciones y en expresiones algebraicas que se adjuntan a los datos (12).
A continuación podemos observar algunas isotermas representativas tal como fueron representadas por Brunauer (19).
ic::r Ttpol '
:8!
·~ . . . 1 1Tipo ur
jj
1 1 18~ 1 1
t
p p p p p p
Fig. 04.- Formas representativas de isotermas experimentales para absorción. (40)
En la Fig. 04 las isotermas cuyas curvas son convexas hacia arriba y en toda la longitud de la curva (tipo 1) se designan como favorables para la captación de solutos, las que son cóncavas hacia arriba en toda su longitud (tipo 111) son desfavorables para la captación de solutos, y otras que siguen una diagonal ascendente se clasifican como lineales. Estas . isotermas se pueden graficar mediante relaciones matemáticas, por ejemplo con las ecuaciones de Langmuir, y las de Freundlich.
Los modelos de las ecuaciones de Langmuir se representan de las formas siguientes (20).
y
=
aP ( 1)g 1 +bP
Donde:
Y9 = Masa o volumen de gas adsorbido por unidad de masa o área del adsorbato.
P
=
Presión del gas en equilibrio.a, b= Constantes características del sistema en consideración.
Una representación grafica de PIY versus P, originara una línea recta cuya pendiente será igual a (b/a), y su intercepto sobre la ordenada igual a (1/a). La practica confirma la ecuación de Langmuir, lo que d seguridad a su teoría.
En analogía a la isoterma de adsorcion de Langmuir, expresaran los resultados obtenidos en un medio acuoso a través de una función matemática que permita obtener la velocidad de retención y así representar Y en función del tiempo t.
y= a 1 t _ ... (3) 1 + bt
Donde:
Y= Cantidad de Pb o Hg retenido por gramo de carbón activo, mg Pb o (Hg) /gc.a.
t= Tiempo de adsorcion en minutos.
a,b= Constantes que dependen del sistema en consideración (porosidad, pH del medio, temperatura y otros).
Derivando la ecuación anterior respecto al tiempo se obtiene:
dY
=
a ... (4).dt (1 + bt)2
Si en esta ecuación se determina (dY/dt), cuando t tiende a cero, se obtiene una ecuación que representa la velocidad de remoción inicial y la velocidad máxima, (dY/df)t=o=V0 , que es igual a la constante "a".
Linealizando la ecuación (4), se obtiene:
Cuya grafica se utilizara para poder determinar la velocidad d adsorcion de un soluto en medio acuoso por un sorbente solidó.
1.4 MERCURIO:
1.4.1 Características Químicas y Físicas
El mercurio forma dos series de compuestos, los mercuriosos y los mercúricos (21 ).
Este elemento es en cierta forma poco abundante en la naturaleza, el cinabrio es el único mineral importante del mercurio (HgS) (22).
El mercurio es un liquido brillante a temperaturas ordinarias, es volátil este produce un vapor monoatómico y tiene una apreciable presión de vapor (22).
Entre los compuestos divalentes tenemos: El óxido rojo del mercurio, el sulfuro de mercurio, el fluoruro de mercurio, este es esencialmente iónico y cristaliza según la estructura de fluorita.
Entre las sales mercúricas que son totalmente iónicas, y por tanto altamente disasociadas en solución acuosa, se encuentra el nitrato, sulfato, hiperclorato.
En soluciones acuosas del nitrato de mercurio (11) las principales especies son: Hg(N03)2, HgN03+ y Hg++ (23).
El nitrato de mercurio da una sal básica por tratamiento con agua, es soluble en ácido nítrico diluido (21).
El ión mercurio (11), en realidad tiene una fuerte tendencia '
a la formación de complejos, y los números de coordinación y
distribución estereoquímicas características son bicoordinados y distribuciones lineales, tetracoordinados y tetraédricos (24).
1.4.2 Efectos característicos
Seres humanos/mamíferos: En comparación con el metal líquido, los polvos y vapores de mercurio son sumamente tóxicos.
Se resorbe casi completamente por vía pulmonar. Los síntomas iniciales de la intoxicación aguda son: sabor dulce y metálico en la boca junto con náusea y vómitos. Luego se inflaman las mucosas de las vías respiratorias. Finalmente el mercurio se acumula en el hígado y en los riñones y solamente es excretado en diarreas. En Alemania, las enfermedades laborales provocadas por el mercurio son de denuncia obligatoria. La intoxicación crónica conduce a trastornos del sistema nervioso central y los síntomas son apatía, falta de memoria, extrema irritabilidad y temblor generalizado. La intoxicación con mercurio puede resultar fatal.
Compuestos inorgánicos del mercurio: Las sales de mercurio producen lesiones en la piel y en las mucosas. Por lo común se ingieren o se absorben por piel debido a su baja volatilidad. La ingesta de sales produce inflamación de la garganta, dificultades para deglutir, mareos, vómitos, dolor de estómago, diarrea sanguinolenta, colapso circulatorio y shock.
También se produce tumefacción de las glándulas salivales, aflojamiento dental e inflamación hepática y renal.
Compuestos orgánicos del mercurio: Los compuestos orgánicos del mercurio (especialmente el mercurio alquilo) suelen ser mucho más tóxicos que los inorgánicos. Por otra parte, la intoxicación aguda por compuestos orgánicos produce síntomas completamente diferentes. En especial, la intoxicación producida por alquiloderivados de cadena corta, tales como el mercurio metilo o el mercurio etilo, solamente se reconoce después de algún tiempo (exceptuando el temblor patológico); generalmente pasan semanas enteras después de la absorción. Los síntomas típicos incluyen: campo visual restringido, pronunciación y escritura poco claras, hipersensibilidad anormal, irritación dérmica, hemorragia nasal y depresión. La exposición a compuestos orgánicos afecta al sistema nervioso (epidemia más conocida: enfermedad de Minamata, en Japón).
El metil mercurio se disuelve fácilmente en grasa y pasa la La corteza terrestre contiene un promedio de aproximadamente 0,02 ppm de mercurio y su mena más difundida es el cinabrio (HgS).
El mercurio se encuentra en todas partes: el agua dulce contiene en promedio O, 1 ug/1; el agua de mar: 0,03 ug/1; el aire:
0,005-0,06 ug/m3. Tanto los compuestos inorgánicos como los
compuestos orgánicos del mercurio son una amenaza para el medio ambiente, pero los compuestos orgánicos son mucho más tóxicos. Aproximadamente el 70-80% del impacto ambiental es generado por emisiones naturales (volcanes, evaporación de la corteza terrestre o de los océanos). Alrededor del 20-30%
proviene de fuentes antrópicas tales como procesamiento del mercurio y desbaste del mineral en la industria o por uso de combustibles fósiles. Si bien su contribución es relativamente modesta, no hay razón para subestimar el peligro que significa el mercurio en altas concentraciones.
1.4.3. Comportamiento en el Medio Ambiente
• Agua:
El mercurio inhibe la actividad metabólica de los microorganismos y suprime de este modo la capacidad de autodepuración del agua, incluso con concentraciones tan bajas como 18 p.g/1. El mercurio se adsorbe en sedimentos y en partículas en suspensión.
• Aire:
El mercurio es casi completamente deslavado de la atmósfera, arrastrado por las precipitaciones.
• Suelo:
El mercurio se acumula en el suelo, preferentemente en suelos húmicos.
• Degradación, productos de la descomposición:
El mercurio es degradado por microorganismos (biometilación) o se oxida formando Hg2 La metilación produce metilmercurio en una reacción que es favorecida por valores de pH altos. El dimetil mercurio, que solamente se forma químicamente (metilación química), escapa a la atmósfera y se descompone formando mercurio elemental. Especialmente la lluvia con iones de mercurio(ll) puede promover la formación de mercurio monometil a partir del mercurio inorgánico. Además de la metilación, pueden formarse complejos quelados a partir de iones de mercurio (11). El metilmercurio es una toxina muy potente para el pescado.
• Cadena alimentaria:
Tanto en el plancton como en la fauna acuática, el contenido de mercurio puede aumentar hasta 500 veces la concentración, existente en el agua de mar (25). El mercurio se acumula considerablemente en la cadena alimentaria debido a su acumulación en el hígado y en los riñones.
• Efectos combinados:
El efecto del mercurio es potenciado por ingesta simultánea de cobre, cinc o plomo.
En la actualidad las fuentes de exposición a estas sustancias se han ampliado mucho en relación con la actividad agrícola e industrial.
Y en el área de la medicina, puntualmente en el sangre- cerebro y la placenta. Tiene potencial mutágeno y teratógeno (como sustancia probad amente nociva para los fetos, el metil mercurio ha sido incluido en Alemania en la lista de sustancias que afectan el embarazo- Grupo A).
Si bien solamente un 0,01% del mercurio metálico ligado y un 15% del mercurio inorgánico ligado es resorbido después de la ingesta, la resorción de los compuestos orgánicos alcanza el 95% (25).
• Plantas:
Los compuestos del mercurio inhiben el desarrollo celular y afectan la permeabilidad.
1.5 PLOMO
1.5.1 Características Físicas y Químicas
El plomo es un elemento conocido que representa aproximadamente el 0,002% de la corteza terrestre.
El plomo es un metal gris azulado, de densidad 11 ,48 g/cm3 se disuelve fácilmente en ácido nítrico diluido (21)
El plomo es un metal perteneciente a lns elementos del grupo cuatro es un elemento escaso pero es muy conocido por su importancia técnica y con la facilidad que se pueda obtener de sus fuentes naturales (22).
El plomo se disuelve en diversos ácidos y es atacado rápidamente por los halógenos, el ataque es lento con álcali en frío y rápido con el álcali en caliente para formar plumbitos.
El plomo parece ser más noble y poco reactivo que podría indicar su potencial normal de -0, 13V; por esta razón es que el plomo no se disuelve en ácido sulfúrico diluido o en ácido clorhídrico concentrado.
El plomo existe solamente en una forma metálica (empaquetamiento cúbico centrado, etc.), esto refleja su preferencia por la divalencia más que por la tetravalencia, como la estabilidad relativamente baja de los enlaces Pb-Pb (22).
El plomo posee una química catiónica bien definida, existe diversas sales cristalinas, pero exceptuando el nitrato de plomo (11) y el acetato de plomo; la mayor parte de las sales de plomo son insolubles en agua.
El plomo (11) también forma numerosos complejos que son en su mayoría octaédricos (26).
El plomo es importante en la industria a través de los compuestos organometálicos y del plomo tetraetilo, sustancia antidetonante que se agrega a las gasolinas (22).
Los compuestos de plomo son bastante tóxicos Sus minerales más importantes son la galena (PbS), la cerusita (PbCOs), la crocoísa (PbCrC04) y la piromorfita (PbsP04)3CI. (15).
1.5.2 Efectos característicos
• Seres humanos/ mamíferos:
EL plomo puede incorporarse al organismo por inhalación de polvos o por consumo de alimentos que contienen plomo o, en el caso de los vegetales, a través de sales de plomo solubles contenidas en el suelo. Si bien la inhalación es la vía de entrada más importante para las personas expuestas en razón de su profesión, el común de la población lo incorpora al organismo a través de la ingesta y resorción en el tracto gastrointestinal.
Recientemente se ha descubierto que el plomo ingresa al cuerpo humano en grandes cantidades a través del consumo de agua potable (cañerías de plomo).
El plomo inhibe la actividad de varias enzimas del metabolismo hemoglobínico, lo que reduce el balance de oxígeno y el volumen respiratorio. También disminuye la actividad del ácido 5 -aminolevulínico-dehidratasa en los eritrocitos. Se producen efectos nocivos al absorber durante un tiempo prolongado incluso cantidades inferiores a 1 mg/día. Signos de intoxicación crónica son los depósitos de plomo en el borde de las encías, cólicos y espasmos. Apatía, irritabilidad, insomnio y- en algunos casos - perturbaciones del comportamiento en los niños, indican una afección del sistema nervioso. El plomo pasa por la placenta y se acumula en el feto. En Alemania el plomo se
encuadra en el grupo de sustancias con factor de riesgo "B" para el embarazo (se considera que hay riesgo de daño para el feto).
Se estima que el límite superior del nivel de plomo en sangre con el que todavía no se ve afectada la salud, es de 35 ug Pb/1 00 mi de sangre para los adultos y de 30 ug Pb/1 00 mi para niños y mujeres embarazadas. La OMS aplica un valor límite de 100 ug Pb/100 mi de sangre, valor que en la mayoría de los países es considerablemente más bajo.
Los compuestos inorgánicos, del plomo son resorbidos en el tracto gastrointestinal. Los niños resorben el plomo más fácilmente que los adultos (25). Un 90% del plomo resorbido se liga a los eritrocitos y de este modo se distribuye por todo el cuerpo. Se deposita fundamentalmente en los huesos.
Aproximadamente el 90% del plomo ingerido por boca vuelve a eliminarse, 75- 80% por vía renal (27). Una pequeña parte se deposita en el pelo y en las uñas, se exuda con la transpiración o se acumula en la leche materna.
• Plantas:
Las plantas absorben el plomo fundamentalmente del suelo y solamente pequeñas cantidades del aire. Esta sustancia tiene efectos nocivos sobre el crecimiento. Si bien al principio de una aplicación el crecimiento se intensifica, a partir de los 5 ppm se produce un considerable retraso del crecimiento acompañada de decoloración y anomalías morfológicas (28). La
fotosíntesis, la respiración y otros procesos de intercambio metabólico se ven perturbados. Finalmente, el plomo inhibe la asimilación de nutrientes esenciales del suelo. El crecimiento de las plantas superiores sólo se ve afectado en forma reducida por el Pb++. En términos generales la calidad se deteriora más que la cantidad producida y, en comparación con los efectos sobre el ser humano, la fitotoxicidad del plomo es relativamente baja.
1.5.3 Comportamiento en el Medio Ambiente
• Agua:
Los cuerpos de agua superficiales constituyen trampas de acumulación para los compuestos de plomo. Los compuestos insolubles se hunden y se adsorben en los sedimentos o se adhieren a partículas en suspensión (especialmente a partículas de arcilla). Las plantas acuáticas también acumulan plomo. La oxidación bioquímica de las sustancias orgánicas se ve inhibida por concentraciones de plomo superiores a O, 1 mili; a partir de los 0,2 mili de plomo; asimismo, se reduce la fauna. El umbral de la toxicidad para los peces es 0,3 mg/1 de plomo (truchas y peces blancos) (25).
El agua subterránea se ve afectada por los compuestos de plómo hidrosolubles, como por ejemplo el cloruro de plomo y el nitrato de plomo. Se sabe, sin embargo, que el agua potable que es conducida por cañerías de plomo contiene altas
concentraciones de plomo (según la química del agua subterránea). El plomo no es químicamente afectado por agua con bajo tenor de oxígeno. En las cañerías de plomo el agua rica en carbonates forma depósitos de carbonato de plomo en las paredes interiores de los conductos.
• Aire:
Grandes cantidades de plomo se liberan a la atmósfera a través de procesos de combustión, distinguiéndose claramente la diferencia entre áreas urbanas y rurales. Los compuestos del plomo pueden ser transportados a grandes distancias según la velocidad del viento, su dirección, las precipitaciones y la humedad. Sin embargo, la mayor parte del plomo de la atmósfera se deposita directamente o es arrastrada por las precipitaciones.
El plomo se liga en la atmósfera a pequeñas partículas de polvo, que luego se depositan sobre la vegetación y el suelo. El plomo de los gases de escape de los vehículos y se deposita en la inmediata proximidad de calles y carreteras.
• Suelo:
La tasa de absorción depende de las propiedades de los suelos. Existe una gran afinidad con las sustancias húmicas. El valor pH juega un papel importante para la disponibilidad del plomo contenido en sus compuestos: cuanto más bajo el pH,
tanto más alta es su deserción a la solución de suelo. Pero, puesto que el plomo es muy poco móvil (menos móvil que, por ejemplo, el cadmio) permanece en los horizontes superiores y no es asimilado en la misma medida que el cadmio por las plantas,
·por lo que los suelos resultan ser una importante trampa para los compuestos del plomo. Una contaminación adicional se produce cuando se distribuyen lodos de clarificación con contenido de plomo sobre las tierras de cultivo.
Las aguas subterráneas solamente se ven amenazadas por índices de contaminación extremadamente altos.
• Tiempo medio de persistencia:
El plomo permanece en la atmósfera aproximadamente entre 7 y 30 días. El tiempo de vida media biológica varía considerablemente: en sangre oscila entre 20 a 40 días; en huesos, en cambio, puede permanecer hasta varios años (29).
• Cadena alimentaria:
Debido a su distribución generalizada, se encuentran compuestos del plomo en todos los alimentos y forrajes. Los alimentos de origen vegetal contienen en general más plomo que los de origen animal. Esto ocurre porque las plantas están especialmente expuestas a las inmisiones de polvo con contenido de plomo, el cual se adhiere a sus superficies y se consume junto con ellas. En los organismos superiores, las mayores
concentraciones de plomo se hallan en los órganos internos (hígado y riñones). En los sistemas acuáticos, la concentración aumenta de la siguiente manera:
agua < presas de los peces < peces < sedimentos (25).
La mayoría de los seres humanos asimilan plomo con la alimentación (unos 440-550 ug diarios) y con el agua potable (unos 20 ug por día) (30). En los lugares donde se produce o se procesa plomo, se suma a ésta la contaminación del aire.
Aproximadamente 30-50% del plomo que se inhala queda retenido en los pulmones (29); el resto se incorpora al cuerpo y se deposita comúnmente en los huesos.
CAPITULO 11
PARTE EXPERIMENTAL
2.1 SÍNTESIS DE LOS CARBONES ACTIVADOS 2.1.1 Materia Prima
Para la síntesis de los carbones activados se utilizaron cáscaras de coco (precursores) lavados y secados a medio ambiente, las cuales fueron reducidas a tamaño de partículas de 5 cm a 8 cm, previamente seleccionadas y limpiadas su corteza interna y externamente, las cuales se lavaron, para luego ser secadas a temperatura de 11 O
oc
en un tiempo de 7 horas para eliminar la humedad.2.1.2 Impregnación
Las cáscaras de coco (precursor) se impregnaron con
1
una solución concentrada de cloruro de zinc (ZnCI2), agente
activante~
diferentes concentraciones en un Rotavapor R- 3000, a una temperatura de 25 °C y una velocidad de rotación de 35 RPM, durante tres horas, usando una razón de impregnación (peso de ZnCI2/peso de cáscaras de coco), los cuales variaran desde 0,25 hasta 3,0 para luego pasar a una etapa de secado al vacío aumentando la temperatura y la velocidad de rotación a 80°C y 70 RPM, respectivamente, finalmente se completa el secado en una estufa a 11 O
oc
de 1__§__ a ~horas, según sea el caso de la razón de impregnación, ya que toma mas tiempo el secado según aumenta esta razón.2.1.3 Carbonización- activación
Las cáscaras de coco impregnadas, se colocan en un reactor tubular en forma de U (20 g), de acero inoxidable de 1 pulgada de diámetro, el cual se introduce en un horno LABOR LR-202, en el cual se activo las cáscaras de coco a tres
o o
temperaturas (700~ 8QQCy 900 °C) durante una hora, en atmósfera inerte de nitrógeno (N2 g) con flujo volumétrico de 150 cm3/min., a . una velocidad de calentamiento de 10 °C/min., finalizado el proceso de activación se enfría el sistema manteniendo el medio inerte de nitrógeno hasta alcanzar los 300 °C, que es cuando se
corta la gasificación de nitrógeno y finaliza el enfriamiento hasta alcanzar las condiciones del medio ambiente.
2.1.4 Lavado de los Carbones Activados
Los carbones activados se lavaron con HCI O, 1 ON, ya que contienen óxidos metálicos producto del proceso, para la eliminación de los iones que quedasen adheridos en la superficie de los carbones después de la activación, luego son enjuagados con 2 L de agua destilada para eliminar los iones presentes, hasta alcanzar un pH neutro.
2.1.5 Secado
Los carbones activados luego de ser lavados fueron secados en una estufa a 11 O
oc
durante 8 horas, y es así como obtenemos finalmente los carbones activados listos para su utilización.2.1.6 Gasificación
Una activación adicional se realizo con gasificación parcial de C02 , con la finalizad de obtener otro grupo de carbones activados, los carbones activados secos fueron colocados en el reactor de acero inoxidable, para luego ingresar al horno, se calentó hasta la temperatura de activación en atmósfera inerte de nitrógeno, una vez alcanzada la temperatura de activación se
inicio la gasificación con dióxido de carbono durante 1 hora con flujo volumétrico de 150 cm3/min. Esta serie de carbones también se activaron a 700, 800 y 900 °C, con gasificación parcial de C02, finalmente sy enfriaron en atmósfera inerte de nitrógeno, para luego ser lavados con agua destilada para eliminar el dióxido de carbono contenido en los poros del carbón activado, y como en el caso de los carbones activados obtenidos en medio inerte de nitrógeno éstos fueron secado a 11 0°C _ por 8 horas.
2.1.7 Codificación de los carbones activados
Para codificar los carbones activados se considero: el precursor (cáscaras de coco), agente activante (ZnCI2), que llega hacer la razón de impregnación (Z10_25, Z20_5, ... Z83_o), temperatura de activación (700, 800 y 900 °C), y la atmósfera en la cual se activaron los carbones (N2 ó C02). Por ejemplo; CZ1-900C02, se sintetizo de cáscaras de coco, utilizando cloruro de zinc como agente activante, razón de impregnación 0,25, temperatura de activación de 900 °C en atmósfera inerte de C02.
CLASIFICACIÓN Y PREPARACIÓN
(CÁSCARAS DE COCO)
Tamaño=S-8cm T"= llO"C t=Rh
IMPREGNACIÓN
(ZnCh)
Vr=35 RPM T"= 25"C t=Rh
SECADO AL VACÍO
Vr=70RPM T"= 80"C t=0.5- 1 h
SECADO
T"= llO"C t=>6h
ACTIVACIÓN
N2 (g) =100cm3/min T"= 700, 800, 900"C t=lh (CZI,CZ2, ... )
LAVADO
Agua destilada= 2L HCI= 100 mi, O.lN ,. Agua destilada= 2L, llO"C
CARBON ACTIVADO
GASIFICACIÓN PARCIAL (COz)
co2
(g) =150cm3
/minT"= 700, 800, 900"C t=lh (CZI, CZ2, ... )
Fig. 05.- Diagrama de bloques para la obtención de Carbones Activados a partir de cáscara de Coco como precursor y Cloruro d Zinc (ZnCI2) como Agente Activante.
2.2 ADSORCION DE PLOMO Y MERCURIO 2.2.1 Proceso de adsorción
La adsorción se llevo a cabo en matraces erlenmeyer con tapas de 125ml de capacidad, se pesaron 0,200g de carbón activado, los cuales se vertieron en 100 mi de solución de 1000 ppm de plomo (11) y mercurio (11), respectivamente; estos fueron agitados durante 5 horas en un agitador LABOR tipo LE-203, para luego ser separado el carbón activado de la solución por filtración.
2.2.2 Medición de la adsorcion
Luego de la filtración se tomaron alícuotas de 1 mi en fiolas de 100 mi de capacidad, las cuales se aforaron; para medir la adsorcion de mercurio se utilizo un Espectrofotómetro UV- Visible Genesys 5, en el cual se construyo la curva de calibración con estándares de O, 5, 1 O y 15 ppm de Hg (11) respectivamente. El mercurio se acomplejo utilizando difenilcarbazida y se ligo a una longitud de onda de 520 nm.
Para medir la adsorcion de Pb (11) se utilizo un Espectrofotómetro de Absorción Atómica (AAS) Shimadzu-AA- 6800. Para realizar los cálculos de adsorcion se utilizaron las siguientes formulas:
Ci - Cf ( ) (6:1
%A= · Ci 100 · · · ~
CJ=(CIXFcXFd) ··· (7)
Fe= Ct ... (8) Cl
Fd= Vf ... (9) Vi
Donde;
%A: porcentaje de adsorción Ci: concentración inicial.
Cf: concentración final.
C/: concentración leída.
Ct: concentración teórica.
Fe: factor de corrección.
Fd: factor de dilución.
Vi: volumen inicial.
Vf volumen final.
2.3 Influencia de la temperatura de activación
Para el presente trabajo de investigación se utilizaron tres temperaturas de activación las cuales fueron de 700, 800 y 900
oc
respectivamente, ambos en atmósfera inerte de nitrógeno y dióxido de
carbono, la temperatura influirá en la producción y desarrollo de los poros del carbón activado, los cuales se utilizaran en las pruebas de adsorcion.
2.4 Influencia de la razón agente activante/precursor
Las pruebas de Adsorcion se realizaron con cada unos de los intervalos de la razón agente activante/ precursor (Z1 al Z8), en el trabajo de investigación se utilizo como agente activante el cloruro de zinc, el cual actúa como un deshidratante, dicho agente producirá la activación química sobre las superficies de las cáscaras de coco que romperán los enlaces --C-C- la cual originara espacios libres donde reposaran las moléculas del soluto a adsorber.
2.5 Efecto del medio de Activación
También se estudio el efecto en la capacidad de remoción del medio de activación, para lo cual se desarrollaron pruebas con las series de los mejores carbones activados a 900 °C, esta comparación entre medios de activación nos permite conocer si existe mejoras al gasificar el medio de activación con gas de dióxido de carbono en la fase de activación, o el empeoro de la capacidad de remoción de estos carbones activados.
2.6 Influencia del pH de la solución
En el trabajo de investigación incluimos pruebas de remoción en la cual se da a conocer los efectos de Adsorcion cuando se varían los niveles de pH de la soluciones del soluto, para lo cual se trabajo a tres
pH diferentes tanto para el plomo como para el mercurio, estos niveles de pH, nos brindan información sobre si el medio neutro, básico o acido de la soluciones del soluto favorece a la remoción de los metales pesados en estudio.
2. 7 Caracterización de los carbones activados 2. 7.1 Caracterización Física
El área superficial (BET) y el volumen de los poros del carbón activado se determino por adsorción gaseosa de nitrógeno. Se empleo un equipo de absorción automático (Micromeritics Gemini 2370), La adsorcion se llevo a cabo a -196 °C. El área superficial y el volumen de poro se determinaron utilizando las ecuaciones de Brunauer-Emmett-Teller (BET) y Dubinin-Radushkevich-Kaganer (DRK), respectivamente en el rango de presión relativa de 0,005-0,2000. (31 ).
Para ello se peso 0,20 g de muestra de carbón activado obtenido en polvo fino, se secó a 200 °C durante 2 horas en flujo de gas nitrógeno en un reactor de vidrio; una vez enfriado se vuelve a pesar la muestra, y se coloca en el equipo de adsorcion, sumergido el reactor en un baño de nitrógeno (N2) 1 para dar inicio a la adsorcion del nitrógeno (N2) 9 a diferentes presiones de equilibrio.
La ecuación universal para la determinación del área superficial específica aparente es:
P/Po .
1 C-1(PJ
[1-(P-PJN]=
Nnp + NmC Po ... ... (1 0)Donde:
P= Presión de nitrógeno en el equilibrio.
P0= Presión de vapor de nitrógeno (760 mmHg).
PIP0= Presión relativa
C= Constante relacionada con el calor de adsorcion.
N= Cantidad de moléculas adsorbidas por gramo de muestra Nm= Cantidad de moléculas adsorbidas formando una monocapa por gramo de muestra.
Este valor de la capacidad de la monocapa (Nm), permite determinar la superficie específica del sólido mediante la ecuación:
... (11)
Donde:
SaEr= Área superficial del sólido, (m2/g).
(AN2)= Área que ocupa la molécula de adsorbato, en este caso 16.2
A
2 para el nitrógeno.Determinada la superficie especifica aparente de los carbones, teniendo en su estructura microporos sucede que se
llenan los mismos y para la determinación del volumen se utiliza la ecuación siguiente:
Donde:
8= Recubrimiento superficial
V= Volumen (cm3) de adsórbalo liquido que llena parcialmente los microporos a la presión P por gramo de muestra.
D= Constante que es función del coeficiente de afinidad y la temperatura.
Si tomamos logaritmo decimal a la ecuación (12), se obtiene una expresión matemática que favorece la interpretación física del fenómeno.
LogN
=
LogN m -DLog2(Pj PJ ... . .. (13)El valor de <
