UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA PROFESIONAL INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL
OBTENCIÓN DEL CARBON ACTIVADO DE LOS RESIDUOS DEL CAFÉ PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXTIL
TESIS
Presentado por:
BACH. CANCHARI SALAZAR, Karen Angela
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO AMBIENTAL
BACH. VERGARAY SALVATIERRA, Nicolle Katlin
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO AMBIENTAL
HUANCAYO – PERÚ 2023
INFORME N° 004-2023-VRCF-FIQ-UNCP
A : Dra. JUANA MARÍA MENDOZA SÁNCHEZ
Decana (e) de la Facultad de Ingeniería Química
DE : Ms. VILMA ROSARIO CALDERÓN FLORES
Docente Asesora de Tesis – Facultad de Ingeniería Química – UNCP ASUNTO : REPORTE DE SIMILITUD DE CONTENIDO (TURNITIN)
FECHA : Huancayo, 16 de mayo de 2023
Mediante el presente me dirijo a usted para saludarle y la vez hacer de su conocimiento, que después de haber procedido a la verificación de similitud con el TURNITIN en cumplimiento a la Ley Universitaria N° 30220, Estatuto de la UNCP, Reglamento de investigación y la Resolución N° 2064-CU-2017 del Código de Ética de Investigación de la UNCP, el resultado fue el siguiente:
TÍTULO DE TESIS TESISTA RESULTADO DE SIMILITUD
“OBTENCIÓN DEL CARBON ACTIVADO DE LOS RESIDUOS DECAFÉ PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA
TEXTIL”
CANCHARI SALAZAR, KAREN ANGELA
VERGARAY SALVATIERRA, NICOLLE
KATLIN 23 %
Lo cual se informa a usted para los fines correspondientes. En consecuencia, recomiendo que los (las) tesistas continúen con sus trámites correspondientes.
Agradeciendo su atención especial al presente me despido reiterándole mi estima personal.
Atentamente.,
______________________________________
Ms. VILMA R. CALDERÓN FLORES DOCENTE - ASESORA
cc. Archivo.
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ASESORA
Ms. Vilma Rosario Calderón Flores
DEDICATORIA
A Dios en primer lugar por darme sus bendiciones, por estar conmigo y cuidarme en cada paso que doy y por darme la oportunidad de haberme permitido concluir con mi carrera.
A mis padres y hermanos por el apoyo incondicional que me brindan día a día, por enseñarme que no debo rendirme y seguir adelante teniendo presente a Dios en todo momento.
Nicolle Vergaray S.
Esta tesis dedico a Dios por guiarme y apoyarme a lo largo de toda mi vida y formación académica, por estar conmigo y cuidarme en cada paso que doy, por brindarme todas las oportunidades de logro que vengo alcanzando.
A mis padres, hermanos, tíos porque gracias a ellos soy lo que soy, por el apoyo incondicional y enseñanza que me brindaron para superar cada obstáculo, a mi familia por su estima y buenos deseos de alcanzar el éxito
A todas las personas que estuvieron alentándome a no rendirme y alcanzar todo lo que me propongo.
Karen Canchari S.
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AGRADECIMIENTO
Siempre agradecidas por todo con Dios, por lo que hizo, lo que está haciendo y por lo que hará con nosotros, él puso los medios para realizar la investigación; nos dio la fortaleza para seguir adelante pese a las circunstancias que atravesamos.
A nuestros padres porque nos proporcionaron su apoyo incondicional y su fe en nosotros, por hacer de este sueño realidad.
A la Universidad Nacional del centro del Perú por brindarnos los medios donde pudimos desarrollarnos profesionalmente.
A nuestra facultad que con su infraestructura y apoyo constante a la investigación hicieron posible que se desarrolle el trabajo de investigación.
A cada uno de los ingenieros de la Facultad de Ingeniería Química por plasmar sus experiencias y conocimientos en cada sesión de clase.
A todas las personas que nos apoyaron en poder lograr nuestra formación profesional; A todos los que formaron parte de la línea de investigación que siempre nos brindaron su apoyo y su constante exigencia para poder lograr nuestros objetivos A todos Uds. Mil gracias de todo corazón, que Dios los bendiga.
RESÚMEN
La problemática a nivel mundial sobre las aguas residuales y los residuos sólidos atraviesa un crecimiento medioambiental y económico constante, la presente tesis
“Obtención del carbón activado de los residuos del café para el tratamiento de aguas residuales de la industria textil” se suma a alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible, teniendo como propósito el tratamiento de agua residuales y el aprovechamiento de residuos sólidos ya que en este último se genera una problemática de contaminación cíclica, al ser dispuestos al medio sin ningún tratamiento, incrementando así la carga orgánica, la mayor demanda de oxígeno disuelto, alcanzando mayor acidez del medio y otras causas de esta problemática, alcanzando condiciones inocuos que impacta en la salud de los ecosistemas. Por otra parte, el desarrollo del carbón activado tiene gran importancia por sus numerosas aplicaciones en las distintas industrias, y siendo la adsorción de contaminantes disueltos presentes en las aguas residuales con este tipo de material un método ampliamente utilizado en el tema de descontaminación. En esta investigación se busca aprovechar los residuos agroindustriales como es el residuo de café para la obtención de carbón activado, en este caso para la eliminación de colorante Azul de Metileno el cual tiene un amplio uso en la industria textil así también en la aplicación como metodología de investigación, Favoreciendo así el análisis de esta tesis. Para la determinación de la capacidad de adsorción se tendrá en cuenta el estudio del equilibrio entre adsorbato ( azul de metileno y adsorbente carbón activado a partir del residuo de café, evaluando el desarrollo de la superficie especifica con el modelo de Brunauer- Emmett-Teller (BET) a las temperaturas de activación de 600°C y 700° así también a la relación de impregnación del ácido fosfórico en el residuo de café carbonizado, de 1/1 y de 1/2 a concentraciones del ácido del 40% y del 60%, el equilibrio de adsorción será analizado mediante los modelos de Langmuir y Freundlich en un sistema discontinuo a pH = 8 a 20 °C de temperatura media. El modelo de Freundlich presentó el mejor ajuste de las isotermas lo que indica que existe una adsorción heterogénea, la capacidad máxima de adsorción de azul de Metileno con el carbón activado con ácido fosfórico a 60% de concentración en una relación de impregnación de 1/2 y a una temperatura de 700°C. fue de 59,336 mg 𝑔−1. Por lo que se predice que este material puede alcanzar eficiencia en la remoción de colorantes.
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ABSTRACT
The worldwide problem on wastewater and solid waste is experiencing constant environmental and economic growth, this thesis "Obtaining activated carbon from coffee waste for the treatment of wastewater from the textile industry" adds to reaching the Sustainable Development Goals, with the purpose of treating wastewater and the use of solid waste, since in the latter a problem of cyclical contamination is generated, as it is disposed of in the environment without any treatment, generating acidity in the environment, increasing organic load, decreased concentration of dissolved oxygen and other causes of this problem, reaching safe conditions that impact the health of ecosystems. On the other hand, the development of activated carbon is of great importance due to its numerous applications in different industries, and the adsorption of dissolved contaminants present in wastewater with this type of material is a widely used method in the field of decontamination. This research seeks to take advantage of agro-industrial residues such as coffee residue to obtain activated carbon, in this case for the elimination of Methylene Blue dye, which is widely used in the textile industry as well as in the application as a methodology. research, thus favoring the analysis of this thesis. For the determination of the adsorption capacity, the study of the balance between adsorbate (methylene blue) and activated carbon adsorbent from the coffee residue will be taken into account, evaluating the development of the specificsurface with the Brunauer-Emmett-Teller model ( BET) at activation temperatures of 600°C and 700° as well as the impregnation ratio of phosphoric acid in the carbonized coffee residue of 1/1 and 1/2 at acid concentrations of 40% and 60 %, the equilibrium of adsorption will be analyzed by means of the Langmuir and Freundlich models in a discontinuous system at pH = 8 at a mean temperature of 20° C. The Freundlich model presented the best fit of the isotherms, which indicates that there is a heterogeneous adsorption , the maximum adsorption capacity of methylene blue with activated carbon with phosphoric acid at 60% concentration in an impregnation ratio of ½ and at a temperature of 700°C. was 59,336 mg g-1. predicts that this material can achieve dye removal efficiency.
INTRODUCCIÓN
La problemática de aguas residuales y de residuos sólidos es persistente y muchas veces va en incremento, en el primer caso, aguas residuales con contenido de sustancias orgánicas como los colorantes, así es el caso de la industria textil peruana que claro es de destacar que sin bien es cierto atraviesa un crecimiento económico debido a la calidad de las fibras que están consideradas entre las mejores del mundo (PRODUCE, 2017), estos efluentes son contaminantes perseverantes muchas veces ya que no pueden removerse con los métodos convencionales de tratamiento de aguas, debido a su origen y las estructuras complejas que presentan algunos llegan a presentar aniones tóxicos como el sulfuro (Bae & Freeman, 2006). Por otro lado, también tenemos a los desechos agroindustriales como es el caso en la producción y comercialización del café los cuales han ido en incremento considerablemente. (MIDAGRI, 2020) este incremento trae consigo que en los procesos de producción del café también se genera una gran cantidad de residuos, los cuales se producen en grandes cantidades debido a su alta demanda, teniendo en cuenta que estos residuos no reciben ninguna clase de tratamiento, al momento de su disposición final lo cual incrementa la problemática de contaminación en cuerpos receptores, generando acidificación del medio, aumento en la carga orgánica, disminución de la concentración de oxígeno disuelto en cuerpos receptores.
Ahora teniendo presente que en la actualidad el desarrollo del carbón activado tiene gran importancia por sus numerosas aplicaciones en las distintas industrias (J.G.
Carriazo, 2008); Por su capacidad de adsorción, el cual depende del metodología para su obtención, identificando el tipo de activación y los parámetros a controlar como la temperatura de calcinación, la relación de impregnación, la concentración de agente activante en nuestro caso y su influencia en el desarrollo de la superficie especifica (Díaz, Cruz, Sáez, Orozco, & Jiménez, 2019), En el presente trabajo se evaluará la capacidad de adsorción del azul de metileno teniendo en cuenta primero que es un colorante comúnmente utilizado en la industria textil para la tinción de algodón, seda y madera por sus características de alta solubilidad, brillo y resistencia, y que por su naturaleza catiónica, y aún más teniendo en cuenta que esta es una técnica muy ampliamente usada (Moreno, Figueroa, & Hormaza, 2012), Por último, esta tesis busca brindar aplicar metodología abaratando costos para mitigar la contaminación, en bienestar del medio ambiente que impacta en la empresa generando un equilibrio medio ambiental – económico.
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
• Evaluar la capacidad de remoción del colorante azul de metileno utilizando carbón activado a partir de residuos de café.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Determinar la influencia de la relación de impregnación de la solución activadora y del carbón activado del residuo de café en su capacidad de remover el colorante azul de metileno.
• Determinar la influencia de la concentración de la solución activadora en el carbón activado que para su capacidad de remover el colorante azul de metileno.
• Determinar la influencia de la temperatura de activación del carbón activado a partir del residuo de café en su capacidad de remover el colorante de azul de metileno.
SIMBOLOGÍA UTILIZADA
°C : grados Celsius
Am : Capacidad de monocapa
AOX : Halógenos orgánicos absorbibles BET : Brunauer emmett-teller
DBO : Demanda bioquímica de oxigeno DQO : Demanda química de oxigeno GAC : Carbón activado granular
Gr : Gramos
IUPAC : Unión Internacional de Química Pura y Aplicada K : Constante adimensional de capacidad adsorción m2/g : Metros cuadrados por gramo
mg/l : Miligramos por litro
𝑚𝑔𝑂2/𝑙 : Miligramos de oxígeno por litro Min : Minutos
Ml : Mililitro
mol/g : Unidad de mol por gramo
N : Constante adimensional que depende de la temperatura.
NA : número de Avogadro PAC : Carbón activado en polvo
Q : Constante relacionada con los lugares ocupados y libres en la superficie del adsorbente
S : Superficie específica SS : Solidos suspendidos
Wm : Superficie que ocupa una molécula en la superficie
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INDICE
DEDICATORIA ... 8
AGRADECIMIENTO ... 9
RESÚMEN ... 10
ABSTRACT ... 11
INTRODUCCIÓN ... 12
OBJETIVOS ... 13
OBJETIVO GENERAL ... 13
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13
1.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ... 21
1.1.1 Antecedentes nacionales ... 21
1.1.2 Antecedentes internacionales ... 22
1.2 MARCO TEÓRICO ... 24
1.2.1 Aguas Residuales ... 24
1.2.2 Aguas Residuales Industriales ... 24
1.2.3 Aguas Residuales de la industria textil ... 26
1.2.4 Caracterización de agua residual de textilería... 30
1.2.5 Tratamiento de Aguas Residuales Textiles ... 30
1.2.6 Carbón Vegetal ... 30
1.2.7 Industria del Café en el Perú ... 30
1.2.8 Borra de Café ... 31
1.2.9 Carbón activado ... 32
1.2.10 Método de activación del carbón ... 32
1.2.11 Cuáles son las Características del Carbón Activo. ... 33
1.2.12 Estructura del poro ... 34
1.2.13 Granulometría del carbón activado……….……34
1.2.14 Tipos de carbón activado ... 34
1.2.15 Química superficial de los carbones activados ... 36
1.2.16 Esquema comparativo Carbón – Carbón activado. ... 36
1.2.17 Adsorción ... 36
1.2.18 Mecanismo de Adsorción ... 37
1.2.19 Adsorbentes para la adsorción ... 38
1.2.20 Modelos Matemáticos ... 38
1.3 MARCO CONCEPTUAL ... 40
1.3.1 Agua Residual ... 40
1.3.2 Azul de Metilo ... 41
1.3.3 Materia orgánica. ... 41
1.3.4 pH ... 41
1.3.5 Temperatura. ... 41
1.3.6 Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) ... 42
CÁPITULO II PARTE EXPERIMENTAL ... 42
2.1 METODOLOGÍA ... 42
2.2 DISEÑO EXPERIMENTAL ... 43
17
2.3 MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS ... 44
2.3.1 Materiales ... 45
2.3.2. Reactivos ... 45
2.3.3. Equipos ... 45
2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ... 45
2.4.1.1 Lavado. ... 46
2.4.1.2 Cribado ... 46
2.4.1.3 Carbonización del material precursor ... 46
2.4.1.4 Dilución del ácido fosfórico como solución activadora: ... 46
2.4.3. PROPIEDAD TEXTURAL ... 48
2.4.3.1 Superficie especifica ... 51
2.4.3.2. Volumen de microporos... 52
2.4.3.3. Volumen de mesoporos ... 52
2.4.4. PROCESO DE ADSORCIÓN ... 53
2.4.4.1 Isoterma de Freundlich ... 55
2.4.4.2 Isoterma de Langmuir ... 56
2.5. ANÁLISIS MORFOLÓGICO DEL CARBÓN ACTIVADO ... 59
CAPITULO III TRATAMIENTO DE DATOS Y DISUCIÓN DE RESULTADOS ... 60
3.1 CLASIFICACIÓN DEL RESIDUO DE CAFÉ PARA LA OBTENCIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO ... 60
3.2 PROPIEDAD TEXTURAL ... 61 3.2.1 Determinación del área de superficie BET y distribuciones de
tamaño de poro ... 61
3.2.2 Propiedades porosas y superficiales ... 63
3.3 ADSORCIÓN DEL AZUL DE METILO POR LOS CARBONES ACTIVADOS ... 65
3.3 MORFOLOGÍA... 70
CONCLUSIONES ... 72
RECOMENDACIONES ... 75
BIBLIOGRAFÍA ... 76
VII ANEXOS ... 80
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ÍNDICE DE TABLA
Tabla 1: Contenidos típicos de las aguas residuales de diferentes industrias importantes 25 Tabla 2: Efecto del efluente de una industria textil sobre la calidad del cuerpo receptor 27
Tabla 3: Grupos cromóforos más comunes 28
Tabla 4: Tipos de metales que se encuentran en los colorantes 29 Tabla 5: Parámetros físicos y químicos del agua residual inicial 30 Tabla 6: Residuos obtenidos en el proceso industrial de café 1000 gramos 31
Tabla 7: Granulometría del carbón activado 34
Tabla 8: Esquema comparativo Carbón Vegetal y Carbón Activado 36
Tabla 9: Diseño Experimental, 2 niveles y 3 factores. 43
Tabla 10: Datos experimentales código 140600 -140700 50
Tabla 11: Datos experimentales código 160600 -160700 50
Tabla 12: Datos experimentales código 540600 -540700 _50
Tabla 13: Datos experimentales código 560600 -560700 _51
Tabla 14: Datos de absorbancia del código 560700 56
Tabla 15: Proceso de tamizado 60
Tabla 16: Propiedad textural carbón activado con H3PO4 del residuo de café 62 Tabla 18: Constantes de adsorción a partir de las ecuaciones de Freundlich y de Langmuir 69
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Estructuras químicas del azul de metileno. 28
Figura 2: Tipos de carbón activado 35
Figura 3: Principales grupos superficiales que pueden encontrarse en un carbón. 35 Figura 4: Isotermas de adsorción a temperatura de activación 600°C 60 Figura 5: Isotermas de adsorción a temperatura de activación 700°C 61
Figura 6: Isotermas de absorción del Azul de Metileno 64
Figura 7: Gráfica de Equilibrio de adsorción de Azul de metileno a Condiciones: 60%(P/V) del
H3PO4, con relación de impregnación (1/2) y 700 ºC. 65
Figura 8: Isoterma de Freundlich linealizada para la adsorción de AM en 560700 Condiciones:
60%(P/V) del H3PO4, con relación de impregnación (1/2) a 700 ºC 66 Figura 9: Isoterma de Langmuir linealizada para la adsorción de AM en 560700 Condiciones:
60%(P/V) del H3PO4, con relación de impregnación (1/2) 700 ºC. 66 Figura 10: Isoterma de Langmuir linealizada para la adsorción de AM en 560700 Condiciones:
60%(P/V) del H3PO4, con relación de impregnación (1/2) a 700 ºC. 67 Figura 11 Micrografías SEM del residuo de café activado con H3PO4, a 1000x: 68
21
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
1.1.1 Antecedentes nacionales
(Terrones, 2014) en su investigación “Determinación de la eficiencia del carbón activado obtenido experimentalmente a partir de residuos agrícolas del Alto Mayo” llega a mencionar que se llegó a determinar la eficiencia del carbón a partir de las cascaras de coco hasta un porcentaje de 85,34, cuando se controló se obtuvo que a la temperatura optima era igual a 700°C, el tiempo de contacto del adsorbato a (85%) con el adsorbente fue durante un minuto y medio, al incrementar su concentración del adsorbato hasta un (85,6%). Mientras que la mayor eficiencia de adsorción del adsorbente a (89,86%) de concentración con el adsorbente a partir de la cascara de café fue se dio a una temperatura de 650°C, un tiempo de contacto del carbón activado con la solución de azul de metileno de 2min (76,9%) y agregando 1g (85,6%). La eficiencia del carbón activado de la cascara de café es a una temperatura de 650°C (96,32%), tiempo de contacto del carbón activado con la solución de azul de metileno de 1min (88,1%) y agregando0,5g (89,4%). Del análisis estadístico realizado concluye que tanto para la cascara del café y del cacao la temperatura optima a la que debe ser sometido estos sustratos es de 650°C mientras que para la cascara de coco es de 700°
(Valencia, 2012) en su investigación “Estudio comparativo de la capacidad de adsorción de cadmio utilizando carbones activados preparados a partir de semillas de aguaje y aceituna”; llegando a la conclusión, el incremento de temperatura de 400 hasta 600ºC
para la activación del influyo en la disminución en el área superficial con incidencia en los microporos, se observó también un aumento de la acidez superficial del carbón activado. En la capacidad de adsorción se evidencio también este incremento, al incremento de la razón de impregnación en los carbones activados a la temperatura de 600ºC, se observó que el área superficial incremento así se evidencio la descendente en la acidez de la superficie, que también se manifestó en su capacidad de adsorción de estos carbones. También se pudo observar que al aumento del pH de 2 a 5 de la solución activadora, la adsorción de cadmio aumento. Por los resultados se establece que tanto, la temperatura de activación, la razón de impregnación, la naturaleza del precursor, el pH de la solución en la obtención del carbón activo son variables de mayor.
1.1.2 Antecedentes internacionales
(Castellar, E. Angulo, & Charris, 2013); En su estudio realizado “Equilibrio de adsorción del colorante azul de metileno sobre carbón activado”, llegaron a evaluar, como influye la concentración de la solución de H3PO4 para la activación del carbón.
Las concentraciones usadas de H3PO4 fueron de 20, 40 y 60% m/v; alcanzando (25,8 mg2.g−1) de adsorción al activarse con el H3PO4 al 20%, Se atribuye a consecuencia de una mayor porosidad y distribución de los poros.
(Garcia & Granillo, 2017) Evaluaron las condiciones de operación para la obtención del carbón activado teniendo como precursor las cascaras de la naranja valencia;
llegando a la conclusión que este tipo de materia generó mesoporosos de características de adsorción capaces de adsorber las moléculas de un tamaño medio como es el caso de las generan olor y color. La activación química del carbón se dio con H3PO4 como el agente activante, las variables fueron la concentración del H3PO4, el tiempo y la
23 temperatura de calcinación. Llegando a concluir que de forma óptima las variables operacionales para la obtención del carbón activado a partir de cáscara de naranja es el tiempo de calcinación el cual fue de 3 horas, la temperatura de 450°C y H3PO4 al 26%, alcanzándose el área superficial de 647 m2 /g y la capacidad de absorción de 95 mg/g.
(Grisales Motato & Rojas Arrieta, 2016); en su investigación para la Obtención de carbón activado a partir de la pulpa de café mediante activación química y su aplicación en la remoción de los colorantes de las aguas residuales industriales, realizaron la selección de agentes activantes comúnmente utilizados en la activación química siendo el NaOH, H2SO4, H3PO4; demostraron que a una concentración del 20% de H3PO4 y de NaOH presentan mayor capacidad de adsorción de 87,4% y 77,9% respectivamente, asimismo se realizó con una concentración del 40% de H3PO4 con una remoción del 94,1% para el colorante marino Bh.
(Hidalgo Segovia & Rivera Garcés, 2017); en su estudio a partir del bagazo del café para la obtención de carbón activado como propuesta para la utilización del residuo de una industria cafetera se realizó la activación física a una temperatura de 500°C en un horno pirolítico cuyo agente oxidante fue el vapor de agua; así mismo se realizó la activación química con ácido fosfórico como agente activante a una concentración de 20% y 40% (m/m) con una de 400°C, alcanzando una remoción del 53,42% a 40%
/m/m).
(Ramos, 2010); En su estudio para la biosorción de los colorantes en la borra mediante un método discontinuo (Batch), donde, el tamaño de partícula y la cantidad de biosorbente. fueron las variables de control, llegando a la conclusión de que la borrade café es un excelente biosorbente en la remoción de colorantes catiónicos, esto a
compararlo con la adsorción de otros residuos agrícolas como es el caso de las cáscaras de trigo, el huevo, los residuos de jengibre; se determinó también que la difusión intraparticular contribuyo con el proceso de remoción.
(Quintana, Velasquez, & Goméz, 2008) investigaron el carbón de cascarilla de café activado químicamente con H3PO4 en la adsorción de Ni (II), el cual fue activado para influenciar la formación de mesoporos, se estableció que el área superficial del carbón fue de 1263 𝑚2𝑔−1 por medio de análisis BET (BrunauerEmmett-Teller), concluye que este carbón tiene gran potencial como adsorbente, destaca que las características fueron comparadas con otros resultados de carbones de cascarilla de café que difirieron en el mecanismo de activación, el carbón de cascarilla de café activado químicamente con H3PO4 alcanzo el 98% de la remoción de Ni (II) presente en aguas residuales.
1.2 MARCO TEÓRICO
1.2.1 Aguas Residuales
Las aguas residuales son el producto de la gran parte de las actividades humanas en su relación con la industria, teniendo en cuenta que su volumen incrementa como también su nivel de contaminación a nivel mundial, con excepciones en el caso de los países más desarrollados. Las aguas residuales van a los diferentes medios ambientales lo que ocasiona consecuencias negativas en la salud de los ecosistemas, en la productividad económica, en la calidad de los recursos de agua dulce ambiental. (OMS, 2017).
1.2.2 Aguas Residuales Industriales
Las características generales como la calidad de las aguas residuales producto de las diferentes industrias. involucran toxicidad, movimiento y carga de contaminantes industriales llegando a mayores consecuencias por los volúmenes reales de agua vertidos
25 en los recursos hídricos, la salud humana y el medio ambiente. La tabla 1 presenta los contenidos contaminantes de acuerdo al tipo de industria que genera el agua residual industrial
Tabla 1: Contenidos típicos de las aguas residuales de diferentes industrias importantes
Fuentes: Basado en (PNUMA, 2010) y (Moussa,2008).
1.2.3 Aguas Residuales de la industria textil
Tenemos que tener presente la importancia de la industria textil para nuestro país, así también destacar que es una de las industrias que tienen el mayor consumo de agua y por ende es importante enfocarnos en estas aguas residuales por su contenido de contaminantes de diferente naturaleza y en gran cantidad, estando presente como parte de ellos los colorantes, los cuales son compuestos que fueron diseñados para tener gran resistencia, incluso por parte de la degradación microbiana, son considerados como los compuestos con gran dificultad para ser eliminados en las plantas de tratamiento de aguas residuales convencionales. (Cortazar, Coronel, Escalante, & Gonzáles, 2018).
El agua residual de una industria textil tiene composición química que dependerá de las sustancias químicas que se usaron en el proceso de la fabricación de fibras. (Manu y Chaudhari, 2002) ( Ranganathan, 2007).
Muchas sales como el NaCl están presentes en las aguas residuales provenientes del proceso de teñido así también otra sal presente es el Na2SO4, son algunas causas de la toxicidad acuática se suman los agentes surfactantes, los colorantes con presencia de metales pesados y sulfuros, los solventes clorados de los procesos de limpieza y de lavado, compuestos orgánicos biocidas como el pentaclorofenol (proveniente de fibra de lana contaminada) etc. (Bael.,2005).
El proceso de teñido es el que genera los efluentes con contenido de colorantes alrededor del 30% teniendo en cuenta que este porcentaje es alto considerando fugas por un ineficiente proceso de teñido y los cuales son descargados a los efluentes. Considerando que existe una amplia variedad de colorantes de origen químico los cuales en periodos cortos alcanzan a mezclarse por lo tanto el efluente tiene en su composición variados colorantes entendiéndose como mayor cantidad de contaminantes variados, que requieren de un tratamiento de aguas muy complejo (Dos Santos & Cervantes, 2007).
27
Fuente: Ademoroti, 1992
El estudio de las descargas producto de los efluentes textiles encontraron que el blanqueado, así como el calentamiento y el teñido; son los procesos con mayor demanda de agua. Se evaluaron la calidad del agua del cuerpo receptor antes y después de las descargas (Tabla 2), con lo que se pudo evidenciar la gran afección del cuerpo receptor (Ademoroti, 1992).
Se estima que del 2 al 50% de los compuestos provenientes de colorante son desechados a las aguas residuales y son contaminantes persistentes de estructuras complejas, que no pueden removerse con tratamientos de agua convencionales, (Dos Santos & Cervantes, 2007).
Figura 1: Estructuras químicas del azul de metileno. Fuente:(Cortazar, Coronel, Escalante, & Gonzáles, 2018)
El grupo de átomos que son responsables del color que tienen los colorantes son los (cromóforos) lo que permite clasificarlos, Siendo los más comunes los azo (-N=N-), el carbonilo (C=O), el metilo (−𝐶𝐻3), el nitro y los grupos quinoides (Ver Tabla N°03). El modo de aplicación del colorante ya sea (directa, dispersa u otros) también permite clasificar al colorante (Christie, 2007).
Tabla 3: Grupos cromóforos más comunes
Fuente: (Cortazar, Coronel, Escalante, & Gonzáles, 2018)
29 En el caso del colorante azul de Metileno se ha reportado que su tiempo de vida media es de 46 años considerando la temperatura a 25°C y pH 7.0, las descargas presentaron concentraciones del colorante por encima de 1500 mg/L. Así también se evidencio en tratamientos de agua residual con lodos activados que los colorantes persisten en un porcentaje e incluso mayor del 90% (Días, 2007), inclusive se ha investigado la resistencia que tienen las moléculas de los colorantes en cuanto a su estructura a los tratamientos químicos, biológicos y exposiciones solares.
Dentro de los metales que se encuentra en los efluentes textiles como: manganeso, mercurio, estaño, arsénico, cadmio, cromo, cobalto, níquel, plata, zinc, titanio, y plomo.
Considerando que es el proceso de teñido donde se contamina con metales. La Tabla N°04 muestra los metales que se encuentran de acuerdo al tipo de colorante.
Tabla 4: Tipos de metales que se encuentran en los colorantes
Fuente: (Bae, 2006).
Los colorantes, son altamente visibles aún a bajas concentraciones, alcanzando a requerir una reducción de hasta el 98%, por esta razón, se identifica el incremento de mecanismos y tecnologías para poder eliminarlos de los efluentes con una tendencia a poder reciclar parte del gran volumen que son consumidos en este proceso de Tinción. (Kandelbauer &
Guebitz, 2005).
1.2.4 Caracterización de agua residual de textilería
Tabla 5: Parámetros físicos y químicos del agua residual inicial
Código Temperatura Potencial de Hidrogeno
Conductividad eléctrica
Potencial Redox mV
Turbidez NTU
ARI-AM 25 8.96 4.82 -313 598
Fuente: (Amasifuen Hidalgo, 2022)
ARI-AM: Agua residual Industrial inicial - con azul de metileno
Se puede observar que el agua industrial residual que se tomó como muestra inicial presentó una temperatura ambiente, un potencial hidrógeno de 8.96, lo cual se traduce en que existe una alta cantidad de amonio y amoniaco para la formación de nitratos generando así una contaminación del agua. Así mismo, presenta una conductividad eléctrica de 4.82 mS/cm, un potencial redox de -313 mV y una turbidez de 598 NTU, lo que nos indica que la presencia de azul de metileno en un cuerpo hídrico hace que sea altamente tóxico y nocivo para los ecosistemas acuáticos de la naturaleza.
1.2.5 Tratamiento de Aguas Residuales Textiles
El tratamiento de agua residual tiene como finalidad eliminar la materia orgánica y eliminar el color representativo de tintes y otros agentes contaminantes.
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:
49 P y Po: Presión en equilibrio y presión de saturación del adsorbato (760 mmHg)
V: Volumen de gas adsorbido a presión (P).
Vm: volumen de gas adsorbido (en la monocapa) C: Constante BET.
Linealizando la ecuación:
❖ Multiplicamos a ambos términos de la fracción por la presión de saturación:
𝑃𝑜∗ 𝑃 𝑃𝑜 𝑃𝑜∗ 𝑉(1 − (𝑃
𝑃𝑜)
= 1
𝐶 ∗ 𝑉𝑚+ 𝐶 − 1 𝐶 ∗ 𝑉𝑚(𝑃
𝑃𝑜)
❖ Resolviendo se obtiene:
𝑃
𝑉(𝑃𝑜− (𝑃)= 1
𝐶 ∗ 𝑉𝑚+ 𝐶 − 1 𝐶 ∗ 𝑉𝑚(𝑃
𝑃𝑜)
❖ La ecuación linealizada tiene la siguiente forma:
𝑌 = 𝑎 + 𝑏 ∗ 𝑋 Donde:
𝑌 = 𝑃
𝑉(𝑃𝑜− (𝑃)
𝑎 = 1 𝐶 ∗ 𝑉𝑚
𝑏 = 𝐶 − 1 𝐶 ∗ 𝑉𝑚
𝑋 = 𝑃 𝑃𝑜
Los cálculos efectuados se realizaron por regresión lineal, teniendo los siguientes valores como datos:
Tabla 10: Datos experimentales código 140600 -140700
Código 140600 Código 140700
P/Po V ads/cm3 STPg-1 P/Po V ads/cm3 STPg-1
0 0 0 0
0.2 280 0.2 230
0.4 370 0.4 310
0.6 415 0.6 345
0.8 450 0.8 370
Tabla 11: Datos experimentales código 160600 -160700
Código 160600 Código 160700
P/Po V ads/cm3 STPg-1 P/Po V ads/cm3 STPg-1
0 0 0 0
0.2 200 0.2 200
0.4 300 0.4 260
0.6 350 0.6 300
0.8 390 0.8 320
Tabla 12: Datos experimentales código 540600 -540700
Código 540600 Código 540700
P/Po V ads/cm3 STPg-1 P/Po V ads/cm3 STPg-1
0 0 0 0
0.2 180 0.2 140
0.4 280 0.4 200
0.6 320 0.6 215
0.8 340 0.8 220
51
Tabla 13: Datos experimentales código 560600 -560700
Código 560600 Código 560700
P/Po V ads/cm3 STPg-1 P/Po V ads/cm3 STPg-1
0 0 0 0
0.2 120 0.2 120
0.4 150 0.4 150
0.6 160 0.6 160
0.8 170 0.8 170
2.4.3.1 Superficie especifica
El método BET es ampliamente usado en la ciencia de los materiales para el cálculo de áreas superficiales.
Para cálculo de la Superficie BET se da mediante la siguiente ecuación:
𝑆𝐵𝐸𝑇 =𝑆𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎 Donde:
a: masa de la muestra de adsorbente S total: Superficie total.
𝑆𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙=(𝑉𝑚∗ 𝑁 ∗ 𝑆) 𝑉
Donde:
N: Número de Avogadro = 6.023x1023mol-1
S: Sección transversal de adsorción de la especie adsorbente.
V: volumen molar del adsorbato.
2.4.3.2. Volumen de microporos
El volumen del microporo se realizo mediante la ecuación de Dubinin Radushkevich (Gregg y Sing, 1982). Según la teoría del potencial de adsorción de Polayi que describe la adsorción en materiales micro porosos, en base a la fuera de atracción en distintos puntos de la película adsorbida como el potencial de adsorción, que viene siendo el trabajo realizado para llevar la molécula del estado gaseoso al estado adsorbido (Allen, 1996). La teoría de Dubinin considera que si el diámetro de poso es comparable al tamaño de la molécula de gas, entonces los microporos se llenarían por volumen mas que por adsorción capa a capa sobre las paredes porosas, esta consideración toma en cuenta al adsorbente tanto como al adsorbato. (Nguyen y Do, 2001); (Rouquerol, 2013).
𝐿𝑜𝑔𝑉 = 𝐿𝑜𝑔𝑉𝑜− 𝐷 ∗ 𝐿𝑜𝑔2 𝑃 𝑃𝑜 Donde:
V: volumen de gas adsorbido en los microporos a la presión relativa (P/Po=0.05-0.35).
Vo: volumen total de microporos (cm3/g)
D: constante que se relaciona con el tamaño medio de los poros.
𝐷 = 2303 𝑘𝑎 (𝑅𝑇) 𝐵2
Donde:
R: Constante de los gases (8.314 J/Kmol) T: Temperatura en K
Ka: Parámetro característico del adsorbato.
B: Coeficiente de afinidad que depende del adsorbato.
2.4.3.3. Volumen de mesoporos
El Volumen de los mesoporos se calculan por el método de Barret-Joyner-Halenda
