UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y DEL AMBIENTE
TESIS
PRESENTADA POR:
CÁCERES LÓPEZ JORGE ALFIERI
PARA OPTAR AL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN GESTION AMBIENTAL Y DESARROLLO SOSTENIBLE
Huancayo – Perú 2020
CAPACIDAD DE BIOADSORCIÓN DE CADMIO(II) CON Bambusa vulgaris EN UNA SOLUCIÓN ACUOSA CONTAMINADA -
HUANCAYO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO
FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y DEL AMBIENTE
ACTA DE SUSTENTACIÓN DE TESIS VIRTUAL PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN GESTIÓN AMBIENTAL Y DESARROLLO
SOSTENIBLE
APROBADO –BUENO
Siendo las 11.40 a.m., se da por finalizado el acto académico de sustentación de Tesis virtual, pasando a firmar los miembros del jurado calificador:
--- --- M. Sc. Edwin Zorrilla Delgado M. Sc. Wilfredo Ramírez Salas (Titular) (Titular)
--- Dr. Humberto Dax Bonilla Mancilla
(Titular)
--- --- Dr. Jesús Eduardo Pomachagua Paucar M. Sc. José Luis Cabrejos Peña (Presidente) (Secretario)
En la plataforma virtual de Microsoft Teams de la Facultad de Ciencias Forestales y del Ambiente de la Universidad Nacional del Centro del Perú, a los 16 día del mes de diciembre de 2020,
siendo las 10:00 a. m. se dio inicio al acto académico de sustentación de Tesis, Presidido por el Dr. Jesús Eduardo Pomachagua Paucar, actuando como secretario el M. Sc. José Luis Cabrejos
Peña y los miembros del Jurado Examinador: M. Sc. Edwin Zorrilla Delgado, M. Sc. Wilfredo Ramírez Salas, Dr. Humberto Dax Bonilla Mancilla. Acto seguido se dio lectura a la Resolución N° 109 - 2020-UPG-FCFA/UNCP, en la que señala fecha, hora y designación del Jurado Examinador para la sustentación de Tesis del Bach. Cáceres López, Jorge Alfieri titulada:
“CAPACIDAD DE BIOADSORCIÓN DE CADMIO (II) CON Bambusa vulgaris EN UNA SOLUCIÓN ACUOSA CONTAMINADA - HUANCAYO “, para optar el Grado Académico de Maestro en Gestión Ambiental y Desarrollo Sostenible. A continuación, el presidente invito al Dr. Humberto Dax Bonilla Mancilla, a realizar la presentación de la Tesis en su condición de Asesor, luego el presidente invito al sustentante para la exposición de su tesis por un tiempo de 25 minutos. Terminado la sustentación el presidente cede el uso de la palabra a los miembros del jurado examinador quienes, procedieron a formular las preguntas de acuerdo al tema y objeciones del caso los mismos que fueron defendidos y absueltos por el graduando; acto seguido se procedió a deliberar el resultado, en el marco del Art. 122° del Reglamento General de la Escuela de Posgrado. Teniendo como resultado el calificativo de:
ii
Dr. Dax Humberto Bonilla Mancilla ASESOR
iii
DEDICATORIA
La concepción de este trabajo está dedicada a mis padres Hilda y Jorge, como un testimonio de cariño y eterno agradecimiento, pilares fundamentales en mi vida, sin ellos, jamás hubiese podido conseguir lo que tengo.
iv
AGRADECIMIENTO
La investigación ha sido un largo proceso el cual no se hubiera finalizado sin la ayuda de la Universidad Nacional de Centro del Perú, por haber contribuido en mi formación profesional.
De igual manera a mi asesor de tesis el Ing. Humberto Dax Bonilla Mancilla por brindarme las pautas para realizar esta investigación, a cada uno de los docentes de la facultad por contribuir desde su especialidad a mi formación profesional.
A mis padres Hilda y Jorge por el apoyo incondicional, a mis amigos Juan Carlos Cervantes, José Rivera y por acompañarme en la recolección de los materiales para desarrollar esta investigación y por último a todas aquellas personas que directamente o indirectamente contribuyeron al desarrollo del presente trabajo de investigación.
v
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTO ... iv
RESUMEN ...11
ABSTRACT ...12
INTRODUCCIÓN ...13
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO ...15
1.1. Antecedentes del problema ... 15
1.2. Bases teóricas y conceptuales ... 24
1.2.1. Metales Pesados ... 24
1.2.1.1. Cadmio ... 24
1.2.1.2. Fuentes naturales de Cadmio ... 25
a) Cadmio en agua superficial y aguas subterráneas ... 25
b) Cadmio en sedimentos rocas y suelos ... 25
c) Cadmio en la atmosfera ... 26
1.2.1.3. Fuentes antropogénicas de cadmio ... 26
1.2.2. Bioadsorción ... 26
1.2.2.1. Ventajas de la Bioadsorción ... 29
1.2.2.2. Desventajas de la Bioadsorción... 29
1.2.3. Aplicaciones de la Bioadsorción ... 30
1.2.3.1. Remoción de contaminantes orgánicos ... 30
1.2.3.2. Remoción de metales pesados... 31
1.2.3.3. Remoción de microcontaminantes ... 32
1.2.3.4. Bioadsorción en el tratamiento de aguas residuales municipales contaminantes ... 33
a) Procesos integrados e híbridos ... 34
vi
1.2.4. Mecanismos de bioadsorción ... 34
1.2.4.1. Fisisorción ... 34
1.2.4.2. Quimisorción ... 35
1.2.4.3. Precipitación ... 37
1.2.4.4. Intercambio de Iones ... 38
1.2.4.5. Complejación ... 39
1.2.5. Bioadsorbentes ... 40
1.2.6. Tipos de bioadsorbente ... 42
1.2.6.1. Materiales orgánicos vivos ... 42
a) Bacteria ... 42
b) Algas ... 43
c) Hongos ... 44
d) Levaduras ... 44
1.2.6.2. Materiales orgánicos no vivos... 45
a) Carbón activado ... 45
b) Polímeros o resinas sintéticas ... 46
c) Zeolitas ... 48
1.2.7. Factores que afectan la bioadsorción... 48
1.2.7.1. Efecto de pH ... 48
1.2.7.2. Efecto de temperatura ... 49
1.2.7.3. Dosis del bioadsorbente ... 50
1.2.7.4. Naturaleza de los bioadsorbentes ... 50
1.2.7.5. Grupos funcionales de la superficie del bioadsorbente ... 51
a) Grupos funcionales que contienen oxígeno ... 52
b) Grupos funcionales que contienen nitrógeno ... 53
c) Grupos funcionales que contienen azufre ... 54
1.2.7.6. La cercanía del metal al bioadsorbente ... 55
vii
1.2.7.7. Efecto del Tamaño de partícula ... 55
1.2.8. Instrumentación en el estudio de la bioadsorción ... 57
1.2.8.1. Análisis de microscopia electrónica de Barrido (SEM) ... 58
1.2.8.2. Análisis de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) 59 1.2.9. Isotermas ... 60
1.2.9.1. Isoterma de Langmuir ... 61
1.2.9.2. Isoterma de Freundlich ... 63
1.2.10. ... Modelos Cinéticos 64 1.2.10.1. Pseudo Primer orden ... 64
1.2.10.2. Pseudo Segundo Orden ... 65
1.2.10.3. Ecuación de Elovich ... 66
1.3. Hipótesis de investigación ... 67
1.4. Operacionalización de las variables ... 68
CAPÍTULO II. DISEÑO METODOLÓGICO ...69
2.1. Tipo y nivel de investigación ... 69
2.1.1. Tipo de investigación... 69
2.1.2. Nivel de investigación ... 69
2.2. Métodos de investigación ... 69
2.3. Diseño de la investigación ... 69
2.4. Población y muestra ... 70
2.4.1. Población ... 70
2.4.2. Muestra ... 70
2.5. Técnicas de muestreo ... 70
2.6. Técnicas e instrumentos de recopilación de datos ... 71
2.6.1. Técnicas ... 71
2.6.2. Procedimiento experimental ... 71
viii
2.6.2.1. Preparación del Sorbente ... 71
2.6.2.2. Determinación de la solución de adsorbato ... 72
2.6.2.3. Estudio de bioadsorción ... 73
2.6.2.4. Caracterización del biosorbente ... 76
2.6.3. Instrumentos ... 77
2.7. Técnica de procesamiento de datos... 77
CAPITULO III. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ...78
3.1. Efecto del pH sobre la adsorción de Cd (II) ... 78
3.2. Efecto de la temperatura sobre la adsorción de Cd (II) ... 79
3.3. Efecto de la dosis de bioadsorbente ... 81
3.4. Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) ... 82
3.5. Microscopia electrónica de Barrido (SEM) ... 83
3.6. Análisis estadístico ... 85
3.7. Isoterma de adsorción ... 87
3.7.1. Isoterma de adsorción de Langmuir ... 88
3.7.2. Isoterma de adsorción de Freundlich ... 89
3.8. Cinética de adsorción ... 90
3.8.1. Cinética de adsorción de pseudo primer orden ... 91
3.8.2. Cinética de adsorción de pseudo segundo orden ... 92
3.8.3. Cinética de adsorción Elovich ... 92
CAPÍTULO IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...93
4.1. Conclusiones ... 93
4.2. Recomendaciones... 93
5. Referencias bibliográficas ...94
6. ANEXOS ... 108
1. Fotografías de la experimentación ... 109
2. Modelo factorial 2k ... 113
ix
3. Informe de Análisis de Infrarrojo FTIR-MIR: Laboratorio de Análisis Instrumental de la
Sección Química de la Pontificia Universidad Católica del Perú ... 114
4. Informe de Ensayo de Laboratorio EQUAS S.A. ... 121
5. Procesamiento de datos ... 129
6. Acreditación del Laboratorio ... 136
7. Esquematización del proceso de bioadsorción ... 137
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Adsorción física y Adsorción química ... 37
Tabla 2. Efectos de los factores de procesamiento en la eliminación de contaminantes por medio de la bioadsorción de metales pesados ... 56
Tabla 3. Técnicas analíticas utilizadas en la investigación de la bioadsorción ... 57
Tabla 4. Operacionalización de Variables ... 68
Tabla 5. Croquis Experimental Aleatorio ... 70
Tabla 6. Instrumentos de Investigación ... 77
Tabla 7. Parámetros termodinámicos de la adsorción de Cd (II) ... 80
Tabla 8. Interacciones De Las Variables Independientes En Función Al Porcentaje De Remoción De Cd (II), Prueba De Medias De Tukey ... 86
Tabla 9. Parámetros de la isoterma de adsorción de Cd (II) ... 88
Tabla 10. Parámetros calculados de la cinética de adsorción ... 91
Tabla 11. Diseño factorial de dos factores con tres niveles (resultados de laboratorio). 113 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Biosorción de iones metálicos ... 27
Figura 2. Descripción esquemática del proceso de adsorción de metales pesados ... 32
Figura 3. Representación de fisisorción, formación de multicapa ... 35
Figura 4. Representación de quimisorción, formación de monocapa ... 36
Figura 5. Esquemas de los mecanismos de adsorción de metales pesados ... 40
Figura 6. Hojas de bambú molidas y tamizadas ... 41
Figura 7. La principal clasificación del Biochar ... 46
x
Figura 8. Representación esquemática del procedimiento de adsorción del
quitosano ... 47
Figura 9. Ilustración de la estructura de los poros de un adsorbente ... 52
Figura 10. Mecanismo de adsorción del Cd (II) ... 53
Figura 11. Clasificación de grupos funcionales ... 54
Figura 12. Señales principales emitidas como resultado de la interacción entre el haz de electrones y la muestra ... 59
Figura 13. Componente básico del espectrómetro de infrarrojos por transformación de Fourier ... 60
Figura 14. Seis clasificaciones de adsorción propuestas por Langmuir en 1918 ... 63
Figura 15. Fotografías de secado de hojas de bambú: hojas recién extraídas (a), después de 72 horas a 50°C (b) ... 71
Figura 16. Solución de nitrato de cadmio(Cd(NO3)2) a 1000ppm ... 73
Figura 17. Soluciones a pH 2 ... 74
Figura 18. Fotografías de las soluciones a distintas concentraciones (a) y el experimento de Isotermas de adsorción (b). ... 75
Figura 19. Esquema general de los experimentos sobre la cinética de adsorción. 76 Figura 20. Efecto del pH en la adsorción de Cd (II). ... 79
Figura 21. Efecto de la temperatura en la adsorción de Cd (II)... 80
Figura 22. Efecto de la dosis de la biomasa. ... 82
Figura 23. Espectros FTIR-MIR de transmisión de la pastilla de “biomasa de bambú” en bromuro de potasio (curva roja), de la pastilla de “biomasa de bambú con cadmio” en bromuro de potasio (curva verde) y de la pastilla que contiene solo bromuro de potasio (curva negra) ... 83
Figura 24. Microfotografías SEM antes de la adsorción 30 𝜇𝑚 (a); y 10 𝜇𝑚 (b) ... 84
Figura 25. Microfotografías SEM después de la adsorción 20 𝜇𝑚 (a); y 20 𝜇𝑚 (b) ...85
Figura 26. Ajuste de la isoterma de adsorción de Cd (II) ... 87
Figura 27. Isoterma de Langmuir ... 89
Figura 28. Isoterma de Freundlich ... 89
Figura 29. Cinética de adsorción de Cd (II). ... 90
Figura 30. Cinética de adsorción de pseudo primer orden. ... 91
Figura 31. Cinética de adsorción de pseudo segundo orden. ... 92
Figura 32. Cinética de adsorción Elovich ... 92
11
RESUMEN
En este estudio, se evaluaron las hojas de Bambusa vulgaris (bambú), físicamente acondicionadas como adsorbente para la eliminación de iones de Cd (II) presentes en la solución acuosa, determinando el efecto del pH, la dosis de adsorbente, la concentración inicial y la temperatura en el proceso. Las pruebas experimentales se llevaron a cabo siguiendo un diseño experimental estadístico de 2K. La biomasa se caracterizó mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y espectrofotometría infrarroja con transformada de Fourier (FTIR). Se estableció que las hojas de bambú tienen una superficie rugosa y porosa para su uso como adsorbente de metales pesados y que el proceso de adsorción se produce por intercambio de iones. Se obtuvo que a pH 6, 2 𝑔/𝐿 de dosis de adsorbente, 30 °C y 20 𝑚𝑔/𝐿, son las mejores condiciones experimentales para la eliminación de Cd (II). De la cinética se observó que la adsorción fue rápida en los primeros 15 min y el equilibrio se alcanzó después de 25 min, siendo el modelo de Pseudo-Segundo Orden el que mejor describió el proceso. El equilibrio de adsorción se ajustó de manera óptima a los modelos de Langmuir y Freundlich, con una capacidad máxima de remoción de 103,09 𝑚𝑔/𝑔. Del estudio termodinámico se demostró que la adsorción de Cd (II) en hojas de bambú es endotérmica, favorable y espontánea. A partir de los resultados obtenidos, se recomiendan las hojas de bambú como adsorbente de Cadmio (II) presente en la solución.
Palabras claves: Bioadsorción, residuo lignocelulósico, fisisorción.
12
ABSTRACT
In this study, the leaves of Bambusa vulgaris (bamboo), physically conditioned as adsorbent for the elimination of Cd (II) ions present in the aqueous solution, were evaluated, determining the effect of pH, adsorbent dose, initial concentration and temperature in the process. The experimental tests were carried out following a 2K statistical experimental design. The biomass was characterized by means of Scanning Electronic Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared Spectrophotometry (FT-IR). It was established that bamboo leaves have a rough and porous surface for use as a heavy metal adsorbent and that the adsorption process occurs by ion exchange. It was obtained that at pH 6, 2 𝑔/𝐿 of adsorbent dose, 30 °C and 20 𝑚𝑔/𝐿, are the best experimental conditions for Cd (II) removal.
From the kinetics it was observed that the adsorption was fast in the first 15 min and the equilibrium was reached after 25 min, being the Pseudo-Second Order model the one that better described the process. Adsorption equilibrium was optimally adjusted to Langmuir and Freundlich models, with a maximum removal capacity of 103.09 𝑚𝑔/𝑔. From the thermodynamic study it was shown that Cd (II) adsorption in bamboo leaves is endothermic, favorable and spontaneous. Based on the results obtained, bamboo leaves are recommended as Cadmium (II) adsorbent present in the solution.
Keywords: Bio adsorption, lignocellulosic residue, physisorption
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INTRODUCCIÓN
El uso cada vez mayor de metales pesados en las últimas décadas ha conducido inevitablemente la dispersión de iones metálicos tóxicos y potencialmente tóxicos (anteriormente conocidos como metales pesados) en cuerpos de agua (Wang, Wang, & Ma, 2010). En el medio ambiente ha estado causando gran preocupación en la sociedad en las últimas décadas en virtud de sus efectos nocivos sobre la salud humana y la vida salvaje (Jorgetto, 2015). Los metales pesados son una preocupación específica debido a su toxicidad, bioacumulación y persistencia en la naturaleza (Rao, Anand, & Venkateswarlu, 2011), es esencial eliminar estos iones de metales pesados de la industria antes de que entren al medio ambiente (Rao, 2018).
El cadmio (Cd) se considera un metal extremadamente tóxico sin una función biológica conocida (Wang, Wang, & Ma, 2010). El cadmio (Cd) es un elemento no esencial y entra en los cuerpos de agua a través de procesos industriales de galvanización, metalurgia, pigmentos, baterías, plástico, cerámica, aleaciones, entre otros (Chandra Joshi, 2019).
Las tecnologías convencionales, como la precipitación química, la coagulación con cal, la extracción con solventes, la filtración por membrana, la ósmosis inversa, el intercambio y la adsorción, se están utilizando para la eliminación de iones de metales pesados (Ismail I. &., 2016). Estos métodos convencionales en uso tienen varias desventajas, como la eliminación deficiente de iones metálicos, requisitos de reactivos, la formación de lodos y su eliminación, además del alto costo de instalación y operación (Odoemelam, Onwu, Uchechukwu, & Chinedu, 2015).
Se ha demostrado que la adsorción es uno de los candidatos más prometedores, ya que puede presentar un alto nivel de efectividad (Anastopoulos, y otros, 2019).
Las características de esta técnica son su excelente eficiencia, su bajo costo, su sencillez, la ausencia de gastos adicionales para su funcionamiento, la disminución de los productos químicos y la prevención de los desechos químicos nocivos (Chandra Joshi, 2019).
14
Se han investigado adsorbentes alternativos no convencionales de bajo costo y se han probado materiales naturales, industriales y sintéticos para la eliminación de metales pesados del agua.
El uso de los biomateriales (hojas, cascaras, semillas, etc.) para la remoción de metales pesados ha surgido como un potencial método alternativo a las técnicas convencionales ya que son de fácil recolección, manipulación, tienen bajo costo y son de abundante disponibilidad. (Areco & Dos Santos, 2011). Numerosos estudios han encontrado que el Cd (II) puede ser adsorbido y eliminado fácilmente por el carbón activado, las fibras de carbón activado u otros adsorbentes de bajo costo, como los desechos agrícolas (Wang, Wang, & Ma, 2010).
El bambú está disponible en todo el mundo y su producción es bastante fácil y barata. Bambusa vulgaris (bambú) es una planta común que se encuentra con mayor frecuencia y en grandes cantidades (Asamoah, 2014).
En el estudio de (Asberry, 2014) ha demostrado el potencial del agua de la cáscara de bambú como biosorbente para eliminar iones de metales pesados del agua, siete iones metálicos estudiados mostraron afinidad con el biosorbente de cáscara de bambú. A partir del estudio de (Asamoah, 2014); sobre la sorción de cadmio, plomo y níquel, indica que: Bambusa vulgaris tiene el potencial de adsorber los iones metálicos considerados durante los primeros 30 minutos de contacto.
El procedimiento, técnicas, instrumentos utilizados en la investigación para analizar la capacidad de biosorción de los iones de cadmio (II) mediante el uso de hojas de bambú, podrán ser utilizados en otros trabajos de investigación o ser de aplicación para su mejoramiento. Los datos empleados en el estudio serán recolectados en laboratorio con el tratamiento previo de la biomasa (hojas de bambú), seguido de pruebas de bioadsorción, las cuales incluyeron la evaluación de la influencia del pH, temperatura y porcentaje de adsorción.
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CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
1.1. Antecedentes del problema
En el artículo científico de (Rifaqat Ali & Fouzia, 2012), sobre Use of Polyalthia longifolia Seeds (Seeds of Indian Mast Tree) as Adsorbent for the Removal of Cd (II) from Aqueous Solution, cuyo objetivo fue analizar la adsorción de la semilla de Polyalthia longifolia en la remoción efectiva de iones Cd (II). Los autores brindan una metodología en el procedimiento experimental; estudiaron la capacidad máxima de adsorción de Cd (II) a 30, 40 y 50 °C, la adsorción estudiada dependía de la concentración según sus resultados, esta adsorción siguió las isotermas de Langmuir, Freundlich y Dubinin-Redushkeuich (D-R) a todas las temperaturas estudiadas y mostro que estudio cinético obedecía el modelo de pseudo-segundo orden. Con este trabajo se demostró que la semilla de Polyalthia longifolia puede utilizarse para adsorber iones de Cd (II) y que el aumento de pH favorece a la adsorción debido a remoción de cationes en sus grupos funcionales.
El artículo científico de (Mondal, Nandi, & Purkait, 2013) sobre Removal of mercury (II) from aqueous solution using bamboo leaf powder: Equilibrium, Thermodynamic and Kinetic, se centró en el uso de polvo de hoja de bambú y polvo de hoja de bambú modificado con tenso activos como adsorbente para la eliminación de mercurio (II) en un medio acuoso, evaluó el rendimiento del polvo de hojas de bambú no modificado, polvo de hojas de bambú modificado mediante el uso de surfactante aniónico SDS y polvo de hojas de bambú modificado mediante tenso activo no iónico Tritón X-100 para la remoción de mercurio en solución acuosa. La investigación conduce a mostrar el efecto del tiempo de contacto, pH inicial, las dosis de adsorbente, la velocidad de agitación y la temperatura sobre las capacidades de adsorción de polvo de hojas de bambú modificado y no modificado.
Los resultados mostraron: la máxima adsorción se produjo a un pH de alrededor de 8, la adsorción de mercurio mediante polvo de hoja de bambú no modificado y polvo de hoja de bambú Tritón X-100 sigue el modelo isotérmico de Freundlich y Temkin mientras que el polvo de hoja de bambú modificado SDS sigue el modelo Langmuir,
16
el grado de adsorción es de alrededor del 60% para polvo de hoja de bambú no modificado, 80% para polvo de bambú modificado por SDS y 75% para el polvo de hoja de bambú modificado por Tritón X-100.
En la investigación realizada por (Odoemelam, Onwu, Uchechukwu, & Chinedu, 2015) titulada Estudios Isotérmicos de adsorción de iones de Cd(ll) y Pb(ll) de soluciones acuosas por carbón activado a base de bambú y polvo de bambú cuyo objetivo fue la evaluación comparativa de dos adsorbentes: Carbón activado a base de bambú y polvo de bambú (BD) para determinar la eliminación de los iones de plomo(ll) y cadmio(ll) de soluciones acuosas sus resultados revelaron que la máxima adsorción de Cd(II) utilizando Carbón activado y polvo de bambú como adsorbentes se produjo a un pH de 6,0. Se puede inferir que a bajos valores de pH, los iones metálicos y los iones de compuestos de hidrogeno compiten por sitios activos en la superficie del adsorbente, lo que resulta en una menor absorción de los metales.
El artículo científico de (Maldonado, Luque, & Urquizo, 2012), sobre Biosorción de plomo de aguas contaminadas utilizando Pennisetum clandestinum Hochst (KIKUYO) cuyo objetivo fue la remoción de plomo en agua simulada con 30 ppm Pb (II) utilizando el “kikuyo” como biosorbente mediante el proceso inicial de hidrólisis acida seguido de una hidrólisis básica, se estudiaron las variables independientes: dosis del biosorbente, velocidad de agitación y pH. La investigación presenta como resultado la capacidad máxima de adsorción de 139.35 mg/g con 0.06 g de dosis de biosorbente (kikuyo) con 100 rpm para velocidad de agitación a un pH 6; la cinética de adsorción obedece a un modelo de primer orden y el modelo de Langmuir es el que representa el proceso de la adsorción.
En el artículo científico de (Sánchez, Marrugo, & Urango, 2014), sobre Biosorción simultanea de plomo y cadmio en solución acuosa por biomasa de hongos Penicillium sp., cuyos objetivos fueron: evaluar la capacidad de remoción de Pb (II) y Cd (II) en soluciones acuosas con hongos Penicillium y determinar la influencia en las variables pH, concentración inicial de metales y temperatura, se analizaron los datos experimentales utilizando modelos de isotermas (Freundlich y Langmuir) para evaluar el rendimiento del hongo biosorbente verificando los grupos funcionales que intervienen en la adsorción por análisis infrarrojo. Se concluye que
17
las máximas adsorciones se dieron en pH ácido de 4-5 a 60 °C, logrando la remoción de Pb en 92,4% y de Cd en 80%. Las isotermas se ajustan mejor al modelo Langmuir.
El artículo científico de (Tejada, Villabona, & Garcés, 2015), Adsorción de metales pesados en aguas residuales usando materiales de origen biológico, tiene como objetivo estudiar las generalidades de la adsorción como un proceso alterno para la eliminación de contaminantes en solución y que biomasas comúnmente son usadas en este tipo de procesos. Se concluye que: el uso de adsorción en la remoción de contaminantes (metales pesados) en solución acuosa mediante el uso de biomasa residual es aplicable a estos procesos de descontaminación. La bioadsorción es una de las alternativas de tratamiento de aguas residual más eficientes ya que su implementación y mantenimiento son de bajo costo en relación a los tratamientos tradicionales de recuperación de metales pesados.
En la investigación: “Evaluación de la capacidad de biosorción de plomo (II) empleando biomasa vegetal inerte (tallo de rosas) como adsorbente”, en Departamento de Facultad De Ciencias Naturales Y Formales de la Universidad Nacional De San Agustín De Arequipa, Perú, el año 2018, la investigación llego a las siguientes conclusiones:
1. Los grupos carboxílicos e hidroxílicos fueron identificados como los principales grupos funcionales en la superficie de los tallos de rosas mediante el uso de la espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier.
2. Se determinó que el tratamiento secuencial de hidrólisis ácida e hidrólisis alcalina (TRHS) del tallo de rosas presenta mejor capacidad de adsorción con agitación, el porcentaje de remoción de plomo (II) con TRHS fue de 99.325%.
En la investigación: “Biosorción de plomo por biomasa inactiva de bacterias aisladas en sedimentos de lixiviados del botadero de Haquira – Cusco”, en facultad de Ciencias de la Universidad Nacional De San Antonio Abad Del Cusco, Perú, el año 2016, la investigación llego a las siguientes conclusiones:
1. Se obtuvo 0,565 𝑔/𝐿 de biomasa seca mediante un cultivo a 30°C por 30 horas.
18
2. Fue posible la remoción de plomo en agua simulada mediante el proceso de biosorción usando biomasa bajo los parámetros óptimos: pH 5, tiempo de contacto 180 minutos y 1 𝑔/𝐿 de biomasa inactiva, con los que se obtuvieron 95,27% 89,71% 79,92% de biosorción respectivamente.
3. La capacidad máxima de adsorción fue 80,64 miligramos de plomo por gramo de biomasa bacteriana, descrita por una isoterma Langmuir, que hace suponer que el proceso se llevó a cabo por una quimisorción del plomo por medio de intercambio iónico entre este Demostrando de esta manera que la remoción de plomo es posible mediante el proceso de biosorción.
(Naveen Chandra, Vaishali, Ruchi, & Edka, 2019) en su estudio titulado: “Adsorption Behavior of Waste Leaves of Quercus Leucotrichophora for the Removal of Ni and Cd ions from Waste Water” evaluaron la eficiencia en la eliminación de iones níquel y cadmio con hojas de Quercus leucotrichophora. El trabajo concluye con lo siguiente: Las hojas de Quercus leucotrichophora llegaron a remover el 70.1% de iones de Cadmio a pH 6. La adsorción de iones metálicos en la superficie del adsorbente aumenta con las temperaturas aplicadas (10°C a 60°C) pero después de 50°C se vuelve constante o disminuye debido a la disolución de iones metálicos en la solución de trabajo de los adsorbentes. El modelo de isoterma de Langmuir y el modelo cinético de pseudo segundo orden se ajustan mejor a los datos de equilibrio de adsorción.
En el artículo científico de (Wang, Wang, & Ma, 2010), Adsorción de iones de cadmio (II) de una solución acuosa con carbón de bambú como adsorbente de bajo costo, tuvo como objetivos evaluar las características de la adsorción a diferentes tiempos de contacto, valores de pH, distintas concentraciones iniciales de iones de Cd (II). Los resultados mostraron que la adsorción de los iones de Cd (II) fue muy rápida inicialmente y el tiempo de equilibrio fue de 6 horas. El pH óptimo para la eliminación de Cd (II) fue de 8. Se comprobó que la adsorción de iones de Cd (II) con el carbón de bambú seguía el modelo de pseudo-segundo orden y que el comportamiento de adsorción de los iones de Cd (II) se ajustaba con mayor precisión a la isoterma de Langmuir. Finalmente, el estudio indica como conclusión que el carbón de bambú tiene capacidad de adsorción eficiente de los iones de Cd (II) y su uso puede ser significativamente reducir el costo del tratamiento del agua.
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El artículo científico de (Chakravartya, Sen Sarmab, & Sarmac, 2010) titulado:
“Biosorption of cadmium(II) from aqueous solution using heartwood powder of Areca catechu” tuvo como objetivo investigar la capacidad de la madera de Areca catechu para adsorber iones de Cd (II) a partir de una solución acuosa mediante experimentos a temperatura ambiente. Tuvo como resultados: La máxima eliminación de cadmio se observó a un pH de 6,0. La adsorción en equilibrio mostró que el sistema seguía el modelo de la isoterma de Langmuir. Los estudios cinéticos concluyeron que la remoción del cadmio siguió el modelo de pseudo segundo orden. También mención que la caracterización de los bioadsorbente por medio de FTIR y SEM ha mostrado una clara diferencia entre los biosorbentes sin aplicación y los cargados con iones de Cd (II). Finalmente se puede concluir que el polvo Areca catechu es un bioadsorbente eficaz y alternativo para la eliminación de Cd (II) de soluciones acuosas debido a su considerable capacidad de remoción, así como su bajo costo.
El artículo científico de (Slaiman, Haweel, & Yo, 2010), titulado: Removal of heavy metals ions from aqueous solutions using biosorption onto bamboo, tiene como objetico probar la viabilidad del bioadsorbente de origen vegetal de bambú para la eliminación de iones metálicos de Cu y el Zn en soluciones acuosas. Como resultados resalta que el polvo seco de bambú eliminó alrededor del 74% de Cu y 69% de Zn. Las tasas de adsorción del cobre y el zinc fueron rápidas inicialmente en 5-15 minutos y alcanzaron un máximo en unos 60 minutos. Como conclusión se observa que el uso de bambú demuestra ser un método eficaz para eliminar los iones de Cu (II) y Zn (II) de soluciones acuosas de baja concentración (10-100 mg ion metal por litro) a escala de laboratorio.
En el artículo científico de (Salim, Al-Subu, & Dawod, 2008), titulado: Efficiency of removal of cadmium from aqueous solutions by plant leaves and the effects of interaction of combinations of leaves on their removal Efficiency, tiene como objetivo estudiar la remoción del cadmio de soluciones acuosas utilizando veinte especies de hojas de plantas y combinaciones de estas hojas. Se ha comprobado que los resultados de la remoción del cadmio por las hojas de plantas siguen la isoterma de adsorción de Freundlich, una reacción de primer orden y la difusión intraporosa es el paso que limita la velocidad de remoción. Las condiciones óptimas para la eliminación del cadmio se encontraron con un pH de 4, utilizando altas
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concentraciones de hojas secas de plantas y utilizando hojas molidas para eliminar el cadmio en soluciones acuosas. Como conclusión se presenta el porcentaje de remoción a una concentración inicial de cadmio de 10 𝑚𝑔/𝐿 donde se obtuvo mayor eficiencia en hojas de Styrax y ciruela con el 85%, un 80% para hojas de granada, un 78% para hojas de nogal y el 77% para hojas de Níspero.
En el artículo de (Tang, y otros, 2010), titulado: Removal of Cd (II) from aqueous solution with activated Firmiana Simplex Leaf: Behaviors and affecting factors, que tuvo como objetivo fue examinar el efecto de la hoja de Firmiana Simplex en la eliminación del Cd (II) den una solución acuosa. Los resultados mostraron que la hoja activa de Firmiana Simplex podía eliminar eficientemente el Cd (II) de las aguas residuales debido a la conservación de grupos funcionales como: amina, carboxilo y fosfato; a una temperatura de 250 °C. Las condiciones óptimas para la adsorción de Cd (II) incluían: El pH con un valor de 6; la dosis de 10 𝑚𝑔/𝐿, una temperaturade 55 °C; y la duración ≥10 minutos. El modelo cinético obedeció al pseudo segundo orden, y el análisis termodinámico reveló la naturaleza endotérmica y espontánea de la adsorción. Los análisis de FTIR y XRD confirmaron la fuerte adsorción entre los grupos funcionales y los iones de cadmio, y la capacidad de adsorción se calculó en 117.786 ppm según a la isoterma de Langmuir.
En el artículo científico de (Mukherjee, Deepa, Joshi, Alicia, & Manish, 2020), titulado: Low-cost bio-based sustainable removal of lead and cadmium using a polyphenolic bioactive Indian curry leaf (Murraya koenigii) powder, tiene como objetivo evaluar si el polvo de hoja de curry presenta remoción eficiente y económica de metales nocivos. Los experimentos se llevaron a cabo a temperatura constante de 25°C, con diferentes pH entre 4.5 a 10.5, concentraciones iniciales entre 50 y 200 ppm, dosis de adsorbente entre 0,1 a 0,4 gramos y tiempos de contacto de cero a sesenta minutos para comprender las condiciones experimentales óptimas y evaluar simultáneamente las isotermas de adsorción y la cinética de eliminación. Como resultados presenta: El equilibrio de la adsorción se estableció en un intervalo de menos de una hora (50 min). El proceso de adsorción se describió mejor mediante la cinética de pseudo segundo orden (R2 ≥ 0,99), el modelo de isoterma de Freundlich y Langmuir (R2 ≥ 0,94). La tasa de eliminación aumentó gradualmente 15,7 mg/g para plomo y 12,7 mg/g para cadmio a 100 ppm
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de concentración inicial hasta 60 min de período de contacto en un solo sistema contaminante, aunque el efecto no fue significativo para los múltiples sistemas de dosificación del adsorbente. La investigación concluye que el polvo de hoja de curry presenta un excelente potencial de adsorción, destacando su potencial a largo plazo para la eliminación de cationes metálicos mono y divalentes.
En el artículo de (Borah, y otros, 2018), titulado: Efficacy and field applicability of Burmese grape leaf extract (BGLE) for cadmium removal: An implication of metal removal from natural wáter, cuyo objetivo fue examinar la influencia del tiempo de contacto y la concentración inicial del metal después de la caracterización mediante microscopía electrónica de barrido (SEM).El estudio dio como resultados que la adsorción de Cd (II) a BGLE se explicó mejor mediante el modelo cinético de pseudo segundo orden (R2 = 0,99) y se adaptó mejor al modelo isotérmico de Langmuir (R2 = 0,76). Además de la actividad de adsorción selectiva de la BGLE hacia el Cd (II), sólo 0,1 g de este bioadsorbente ha mostrado una adsorción efectiva de estos iones con una capacidad máxima de adsorción 𝑞𝑚 de 44,72 mg/g.
Como conclusiones menciona que la eficacia de remoción del presente adsorbente fue del 42,04% a 50 𝑚𝑔/𝐿.
En el artículo científico de (Cheraghi, Ameri, & Moheb, 2015), de título: Adsorption of cadmium ions from aqueous solutions using sesame as a low-cost biosorbent:
kinetics and equilibrium studies, en dicho estudio utilizaron residuos de ajonjolí como bioadsorbente natural para la remoción de iones cadmio, esta investigación tiene como objetivo estudiar la concentración inicial, el tamaño de partículas, la dosis de adsorbente, el tiempo de contacto y el pH de la solución. El estudio tuvo como resultados que el equilibrio de adsorción se alcanzó a los 30 minutos, el modelo cinético del bioadsorbente de residuos de ajonjolí se describió mejor por el modelo de pseudo-segundo orden, los mejores resultados de adsorción fueron obtenido con partículas biosorbentes de 210 𝜇𝑚 de tamaño, el valor óptimo de pH fue de 6, los estudios de isoterma de adsorción mostraron encajaba bien los datos experimentales con el modelo de la isoterma de Langmuir. Como conclusión el estudio indica los residuos de ajonjolí podía considerarse como un adsorbente sostenible y útil para la remoción de Cd (II) a nivel comercial.
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En el estudio de (Goswami, y otros, 2016), titulado: Characterization of cadmium removal from aqueous solution by biochar produced from Ipomoea fistulosa at different pyrolytic temperaturas, cuyo objetivo fue demostrar la capacidad de adsorción de la planta fanerógama Ipomoea fistulosa, se analizó el período de contacto y una dosis de adsorbente mínimos, dentro de los resultados el proceso de adsorción siguió un modelo cinético de pseudo segundo orden, la adsorción llego al 98,1% de eliminación en 60 minutos y eliminación casi absoluta en 300 minutos de iones de Cadmio, teniendo en cuenta su excelente capacidad de adsorción, en el futuro la utilización de Ipomoea será importante para la gestión de sedimentos contaminados.
(Azouaou, Sadaoui, Djaafri, & Mokaddem, 2010) en su investigación titulada:
Adsorption of cadmium from aqueous solution onto untreated coffee grounds:
Equilibrium, kinetics and thermodynamics. Cuyo objetivo fue estudiar los efectos del tiempo de contacto, la dosis de adsorbente, el pH inicial, la temperatura, el tamaño de las partículas y la concentración inicial de iones de Cd (II). Experimento con una dosis de adsorbente de 9 gramos en 100ppm de adsorbato a pH 7 y temperatura ambiente de 20 °C, como resultados indican que los posos de café pueden ser utilizados como una forma económica, eficaz y fácil de utilizado como adsorbente sin ningún tratamiento para la eliminación del cadmio de soluciones acuosas.
En el artículo de (Dubey, Mishra, & Singhal, 2013), titulado Application of dried plant biomass as novel low-cost adsorbent for removal of cadmium from aqueous solution, tiene como objetivo utilizar la biomasa de la planta Portulaca oleracea, como adsorbente, para la eliminación del cadmio en una solución acuosa. La biomasa se obtuvo después de secar y moler las hojas y el tallo de la Portulaca oleracea. No se hizo ningún tratamiento químico en el adsorbente para evitar modificaciones. Los experimentos se realizaron a temperatura ambiente, los parámetros críticos estudiados fueron los efectos del pH, el tiempo de contacto, la concentración inicial de iones metálicos y la dosis de adsorbente en la adsorción de cadmio. Como resultados se encontró que la máxima adsorción era del 72%, los datos cinéticos se ajustaban mejor al modelo de pseudo segundo grado. Se obtuvieron altas tasas de adsorción en los 45 minutos iniciales, y el equilibrio de adsorción se alcanzó gradualmente en unos 100 minutos. La adsorción aumentó con un aumento del pH en un rango de 2 y 6. El equilibrio de la adsorción siguió las
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isotermas de Langmuir como la de Freundlich. Como conclusión se menciona que la Portulaca oleracea es un adsorbente eficaz, económico y favorable al medio ambiente para la eliminación de los iones de cadmio en una solución acuosa y podía utilizarse para la eliminación de otros iones de metales pesados.
En el artículo científico de (Kumar & Bandyopadhyay, 2006), titulado: Sorption of cadmium from aqueous solution using pretreated rice husk, tuvo como objetivo investigar la adsorción de Cd (II) en una solución acuosa con un subproducto agrícola excedente como la cáscara de arroz, como resultado se obtuvo una adsorción de un 75%, se obtuvo buen coeficiente de correlación con el modelo cinético de pseudo segundo orden, los datos de adsorción en equilibrio estaban mejor representados por la isoterma de Langmuir. Se concluye que el bajo costo, la alta eficiencia y la rápida absorción del Cd (II) de la cascara de arroz indicaban que es una excelente alternativa para la eliminación de metales pesados mediante el proceso de adsorción.
En el artículo científico de (González & Pliego-Cuervo, 2014), titulado: Adsorption of Cd (II), Hg(II) and Zn(II) from aqueoussolution using mesoporous activated carbonproduced from Bambusa vulgaris striata, cuyo objetivo fue el estudio de adsorción de iones de Cd (II), Hg(II) y Zn(II) con carbón activado mesoporoso de Bambusa vulgaris striata en solución acuosa, como resultados se obtuvo que las condiciones de equilibrio obtenidas fueron: dosis de 0,6 𝑔/𝐿, pH = 9, tiempo de contacto de 16 h y la mayor concentración de iones metálicos fue de 20 mg, el trabajo concluye que los grupos oxigenados de la superficie principalmente el carbonilo y el carboxilo aumentan la capacidad de adsorción del complejo y/o la formación de quelantes en la superficie del carbón activado, incluso a altos valores de pH. En el artículo han demostrado que el carbón activado producido a partir de los estratos de Bambusa vulgaris striata puede aplicarse eficazmente para la eliminación eficiente más del 98% de Cd (II), Hg(II) y Zn(II) de las soluciones acuosa. Con esto se demuestra firmemente el potencial de aplicaciones de este material en el tratamiento de aguas residuales.
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1.2. Bases teóricas y conceptuales 1.2.1. Metales Pesados
La contaminación por metales pesados plantea graves riesgos para la salud de los organismos vivos y provoca un deterioro de la calidad del medio ambiente como consecuencia de la elevada toxicidad de los metales pesados combinada con su no biodegradabilidad y su capacidad de bioacumularse en los organismos vivos y en la cadena alimentaria (Cheng, Show, Lau, Chang, & Ling, 2019). Diversas industrias liberan directa o indirectamente metales pesados en los efluentes de desechos líquidos en los ríos o el mar, lo que ha dado lugar a una creciente preocupación pública.
Algunos de los metales pesados tóxicos como el níquel, el arsénico, el cromo, el zinc, el cobre y el cadmio, cobalto, antimonio, etc. inducen a efectos peligrosos y tóxicos para el medio ambiente, las formas iónicas de los metales como 𝐶𝑑+2, 𝑃𝑏+2, 𝐻𝑔+2, 𝐴𝑔+ y el 𝐴𝑠+3 reaccionan para formar compuestos tóxicos (Femina, Kumar, Saravanan, Joshiba, & Naushad, 2017). La bioacumulación de cadmio se ve influida por factores como la genética de las plantas, el contenido de cadmio y la biodisponibilidad en el suelo, cada uno de los cuales puede ser influenciado por el pH (Zhang & Reynolds, 2019).
La normativa el límite de cadmio (Cd) en el suelo agrícola según (Decreto Supremo N° 011-2017-MINAM .- Aprueban Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para Suelo, 2017) es de 1.4 𝑚𝑔/𝐾𝑔 de suelo seco, pero este umbral se supera continuamente por las actividades humanas. El alto nivel de cadmio en la flora expuesta causa la reducción de fotosíntesis, síntomas visibles de lesión reflejados en términos de clorosis, inhibición de crecimiento, oscurecimiento de las puntas de las raíces, y finalmente la muerte (Yadav, 2010).
1.2.1.1. Cadmio
La contaminación ambiental por cadmio puede ser el resultado de actividades antropogénicas o cambios naturales, en la naturaleza, los compuestos de cadmio pueden existir en varias fases intercambiables a través de reacciones como adsorción, desorción, quelación, precipitación y disolución. La transición del cadmio
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entre las diferentes fases se explica por su ciclo genérico de trazas de metal. Una vez que el cadmio se extrae de los depósitos profundos de la tierra a través de una erupción volcánica o de la minería, se transporta entre la atmósfera, las aguas superficiales, las aguas subterráneas, aunque el cadmio existe en el aire, el agua y el suelo sólo en pequeñas cantidades, el metal tiene el potencial de acumulación en los organismos biológicos (Kubier, Wilkin, & Pichler, 2019).
1.2.1.2. Fuentes naturales de Cadmio
a) Cadmio en agua superficial y aguas subterráneas
La presencia de cadmio, uno de los iones de metales pesados más tóxicos, puede originarse en la industria cerámica, la fabricación de textiles y metales y otras fuentes industriales. Las altas concentraciones de cadmio en el agua causan efectos negativos para el medio ambiente y la salud humana, el cadmio no es esencial y es un metal pesado muy tóxico, incluso en bajas concentraciones, este puede permanecer durante mucho tiempo y acumularse en los organismos (Siswoyo, y otros, 2019).
Si bien los iones de metales pesados libres en el agua pueden entrar y acumularse en peces y mariscos, el consumo de esas plantas con una concentración mucho mayor puede ser la principal forma de biotransferencia de cadmio a esos animales acuáticos (Zhang & Reynolds, 2019).
b) Cadmio en sedimentos rocas y suelos
El Cd tomado por las plantas u otros organismos se incorpora a los sistemas biológicos, y puede ser transferido a niveles tróficos superiores mediante consumo.
Debido a la pérdida de biomasa durante la respiración y en la excreción existe un riesgo de bioacumulación en los niveles tróficos más altos. El aumento de las concentraciones de Cd en los consumidores puede tienen efectos perjudiciales, como se ha visto durante la primera mitad del siglo XX en Japón, donde el envenenamiento por Cd causó osteomalacia (dolor severo y fractura de huesos y articulaciones) en los humanos después de consumir arroz contaminado con Cd (Mortensen, Rønn, & Vestergård, 2018).
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c) Cadmio en la atmosfera
El cadmio atmosférico puede ser el resultado de actividades naturales, como la combustión espontánea de biomasa y la erupción volcánica, pero la antropogénica son ahora la mayor fuente de aerosoles de cadmio con la que contribuyen en gran medida a la liberación de las emisiones industriales. Elemento de cadmio se liberan compuestos en el aire durante el proceso de extracción de minerales metálicos, la quema de combustibles fósiles, el consumo de cigarrillos o la producción industrial (Kubier, Wilkin, & Pichler, 2019).
1.2.1.3. Fuentes antropogénicas de cadmio
Los aportes antropogénicos de cadmio al suelo y a las aguas subterráneas son la combustión de los lodos residuales, los vertederos, el tráfico, la industria metalúrgica, la minería e incidentes. Al igual que el uranio, una razón común de las elevadas concentraciones de cadmio en el suelo y las aguas subterráneas es el uso de fertilizantes fosfatados, que contienen cadmio como impureza (Kubier, Wilkin, & Pichler, 2019).
Según los resultados de la Agencia Internacional de Investigación la exposición al Cd se produce principalmente en el ámbito laboral del aire contaminado; sin embargo, la forma química por la que el Cd existe varía en diferentes entornos industriales (Pyrzynska, 2018). En los Estados Unidos, antes de En 2006, más de un millón y medio de trabajadores estuvieron expuestos a cadmio. Exposición al hidróxido de cadmio El óxido es el más común para los trabajadores de la galvanoplastia, la producción de baterías e industrias de pigmentos, según un estudio, los niveles de aire de Cd en la zona de respiración de un soldador eran el doble del nivel aceptable para corto exposición a largo plazo (Barbee & Prince, 1999).
1.2.2. Bioadsorción
Los fenómenos de bioadsorción tienen una larga historia, que se remonta a los egipcios y los sumerios, que ya aplicaban carbón vegetal para reducir el contenido de ciertos metales en la fabricación de bronce. Las primeras aplicaciones medicinales del carbón vegetal para la adsorción e inactivación de componentes
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tóxicos in vivo fueron descritas por los egipcios desde el año 3750 a.C. y más tarde por Hipócrates, antes de que los fenicios describieran el tratamiento del agua potable con esos materiales adsorbentes (Kammerer, Kammerer, & Carle, 2014).
La biosorción ha tenido por objeto la eliminación y recuperación de sustancias orgánicas e inorgánicas de la solución por medio de material biológico que puede incluir microorganismos vivos o muertos, algas marinas, materiales vegetales, desechos industriales, residuos naturales y agrícolas. Durante décadas la biosorción ha sido anunciada como una prometedora y rentable biotecnología de limpieza, a pesar de un progreso significativo de este complejo fenómeno y un dramático aumento de las publicaciones en esta área de investigación, comercialización de tecnologías de biosorción ha sido limitada hasta ahora (Fomina
& Gadd, 2013).
La biosorción se define como la capacidad de los materiales de origen biológico para unirse, por ejemplo, la adhesión de metales tóxicos a la superficie de la pared celular o membrana en el proceso de equilibrio, recientemente se ha descubierto que la biosorción es la interacción entre iones metálicos y grupos funcionales presentes en los biopolímeros de la pared celular de organismos muertos (Chojnacka, 2010).
Figura 1. Biosorción de iones metálicos
Para (Ján & Vrana, 2018), biosorción se define como la adsorción pasiva de sustancias tóxicas por materiales biológicos muertos es una consecuencia de varios procesos metabólicos independientes de la membrana celular, los mecanismos responsables de la adsorción del contaminante varían según el tipo de biomasa aplicada.
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La adsorción está influenciada por condiciones tanto físicas como químicas del medio ambiente, en particular, por el pH y la temperatura. Al ser un proceso superficial, un factor clave para la adsorción es la superficie del adsorbente: el adsorbente con más superficie tiene más capacidad para adsorber sustancias, por tal razón, los mejores adsorbentes son las sustancias porosas que generalmente tienen mayor superficie por unidad de volumen (Jorgensen & Fath, 2014).
En el proceso de bioadsorción, la saturación límite de biomasa se ve afectado por varios factores como como el número de poros en el material biosorbente, la accesibilidad y el estado químico de estos, es decir, la disponibilidad y la afinidad entre la biomasa y el metal (Tejada, Villabona, & Garcés, 2015). En el caso de la unión del metal es covalente, suponiendo que un sitio ocupado es teóricamente disponible, la medida en que el sitio debe ser habitado por un metal dado, depende más de la fuerza de unión (Febrianto J. , y otros, 2009). Dado que en la estructura del biosorbente pueden estar presentes diversos grupos funcionales, como los grupos: hidroxilo, carbonilo, carboxilo, sulfhidrilo, tioéter, sulfonato, amina, imina, amida, imidazol, fosfonato y fosfodiéster, el mecanismo de adsorción no se limitará solamente a una unión física (Febrianto J. , y otros, 2009).
La primera etapa de la biosorción es que el biosorbente debe suspenderse en la solución que contiene el adsorbato (iones metálicos). Después del desarrollo durante un intervalo de tiempo determinado, se alcanza el equilibrio. En esta etapa, el biosorbente enriquecido con metal se separaría. El proceso de biosorción es ventajoso porque es reversible, no requiere nutrientes, es un proceso de una sola etapa, de alcance rápido, no tiene ningún peligro de efectos tóxicos y de crecimiento celular, permite una concentración de equilibrio intermedio de los iones metálicos, y no está controlada por metabolismo.
(Kanamarlapudi, Chintalpudi, & Muddada, 2018) mencionan que la capacidad de biosorción (𝑚𝑔/𝑔 ) del bioadsorbente puede definirse como la cantidad de adsorbato (iones metálicos) por unidad de peso del biosorbente y puede expresarse utilizando el siguiendo la ecuación de equilibrio de masas:
𝑞𝑒 =(𝐶𝑂− 𝐶𝑒) − 𝑉 𝑚
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Se evaluó el porcentaje de biosorción (R%) conocido como eficiencia de biosorción para el metal de la siguiente ecuación:
𝑅% =(𝐶𝑂− 𝐶𝑒)
𝐶𝑂 × 100
Donde:
𝑞
𝑒 es la cantidad de iones metálicos adsorbidos del adsorbente (𝑚𝑔 𝑔−1), 𝐶𝑂 es la concentración inicial de iones metálicos en la solución (𝑚𝑔 𝐿−1), 𝐶𝑒 es la concentración de equilibrio del metal en la solución (𝑚𝑔 𝐿−1), 𝑉 es el volumen del medio (𝐿), y 𝑚 es la cantidad de biomasa utilizada en el proceso de adsorción (𝑔).1.2.2.1. Ventajas de la Bioadsorción
En los últimos años se han intensificado las investigaciones sobre los mecanismos de bioadsorción, ya que la biomasa puede se empleará para secuestrar metales pesados de los efluentes industriales, por ejemplo: de la industria minera, de la galvanoplastia o para recuperar metales preciosos de soluciones de procesamiento (Abdi & Kazemi, 2015).
Para (Shamim, 2018) la bioadsorción presenta los siguientes beneficios:
• Producción más barata de biomasa especialmente en bacterias y hongos.
• Utilización de la biomasa para la eliminación de metales pesados
• Captación de múltiples metales pesados a la vez
• Tratamiento de grandes volúmenes de aguas residuales
• No hay necesidad de adiciones químicas ya que son altamente selectivas para la captación y eliminación de los especímenes.
• Funcional en una amplia gama de condiciones, incluyendo temperatura, pH, presencia de otros iones metálicos, etc.
• La desorción fácil y más barata de los metales atacados a la biomasa
• Reducción del volumen de producción de desechos o materiales tóxicos
1.2.2.2. Desventajas de la Bioadsorción
Para (Abdi & Kazemi, 2015) el proceso de bioadsorción presenta las siguientes desventajas:
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• La saturación temprana puede ser un problema, es decir, cuando los sitios interactivos de metal están ocupados, la desorción de metal es necesaria.
antes de su uso posterior, independientemente del valor del metal.
• El potencial de mejora de los procesos biológicos (por ejemplo, mediante la ingeniería genética de las células) es limitado porque las células no se están metabolizando. Debido a que la producción del agente de adsorción se produce durante el periodo, no hay control biológico sobre las características del biosorbente. Esto será particularmente cierto si la biomasa de residuos de un se está utilizando la unidad de fermentación.
• No hay potencial para alterar biológicamente el estado de valencia. Por ejemplo, las formas menos solubles o incluso para la degradación de los complejos órgano metálicos
• El crecimiento y la nutrición de la biomasa y la edad también pueden influir en la biosorción debido a los cambios en el tamaño de las células, la composición de las paredes, la formación de productos extracelulares (Ismail, Sulaymon, & Abbas, 2014).
1.2.3. Aplicaciones de la Bioadsorción
1.2.3.1. Remoción de contaminantes orgánicos
La bioadsorción adquiere significado para la eliminación de sustancias peligrosas ya que puede utilizarse como un proceso de separación individual o puede ser parte de otros, procesos biológicos.
En la agricultura se utilizan varios tipos de plaguicidas algunos de ellos son persistentes, tienen mutaciones y efectos cancerígenos un adsorbente adecuado para eliminarlos es carbón activado, la desventaja es el alto precio, esto ha motivado a los investigadores a explorar la posibilidad de usar materiales alternativos que se originan en la naturaleza o son residuos de otros procesos, turba, carbón activado, madera, corteza de eucalipto, cáscara de arroz, quitina, cenizas o lodos activados, etc. (Yadav, 2010).
Estos son materiales relativamente baratos, pero suelen caracterizarse por sus bajos niveles de adsorción. Esta desventaja puede ser compensado por mayores cantidades de adsorbente. Una alternativa para la recuperación y/o la eliminación
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ambientalmente aceptable de contaminantes podría ser, la adsorción pasiva de contaminantes a partir de soluciones acuosas utilizando una masa microbiana no viva renovable (Derco & Vrana, 2018).
(Aksu, 2005) realiza un estudio sobre la aplicación de biosorción para la eliminación de contaminantes orgánicos donde indica que la biosorción también se está convirtiendo en una alternativa prometedora para reemplazar o complementar los actuales procesos de eliminación de contaminantes orgánicos de las aguas residuales. Entre estos contaminantes, los tintes, los fenólicos y plaguicidas han sido recientemente objeto de gran preocupación debido a su extrema toxicidad y/o persistencia en el medio ambiente.
1.2.3.2. Remoción de metales pesados
La biosorción y la bioacumulación pueden aplicarse para eliminación de metales pesados del agua, así como de aguas residuales, ya que en muchos casos es rápida, selectiva y de elevada eficiencia. Otras ventajas, como la aplicabilidad contra diversos tipos de contaminantes, la sencillez del proceso, el bajo costo y la facilidad de funcionamiento, así como el potencial de reutilización de los adsorbentes, hacen beneficiosa la bioadsorción (Anastopoulos, y otros, 2019), así mismo se descubrió que la eliminación de los metales pesados del medio ambiente con métodos biotecnológicos, los métodos deben considerar una serie de factores físico-químicos como la temperatura, el pH, el tiempo de contacto de la biomasa, la concentración de la solución que contiene metales y la toxicidad cuando se aplican microorganismos vivos (Derco & Vrana, 2018).
Se ha demostrado que la adsorción es un método excelente para la eliminación de metales pesados de las aguas residuales y los suelos contaminados, (Shena, y otros, 2019) realizan un estudio analizando el residuo del tratamiento del agua potable (DWTR) como adsorbente de bajo costo para la inmovilización y remoción de metales pesados, como una forma rentable y eficiente del tratamiento del agua potable residual y subproductos industriales.
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Figura 2. Descripción esquemática del proceso de adsorción de metales pesados (Shena, y otros, 2019).
(Fiyadh, y otros, 2019) hicieron un estudio exhaustivo de la gama de materiales utilizados como adsorbentes para eliminar metales pesados particularmente peligrosos como arsénico, plomo y mercurio. El estudio se centra en la técnica de adsorción que utiliza nanotubos de carbono como adsorbente. La superficie de los nanotubos de carbono necesita ser activadas con solventes para hacerlos más reactivos a los diferentes tipos de contaminantes. Las pruebas han confirmado que los nanotubos de carbono son altamente eficientes.
1.2.3.3. Remoción de microcontaminantes
La gran presencia de microcontaminantes en el medio ambiente acuático es uno de los mayores desafíos a nivel mundial, aproximadamente trecientos millones de toneladas de microcontaminantes se liberan anualmente en el ambiente que son categorizados categorizado, dependiendo de sus fuentes, muchos de los cuales en algún momento de su ciclo de vida terminan en el medio ambiente acuático (Ateia, y otros, 2020).
La mayoría de ellos no se llegan a eliminar o transformarse dentro de las plantas de tratamiento de aguas residuales, estos pueden persistir en el medio ambiente
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acuático o crear nuevas sustancias químicas por reacción con sustancias húmicas y la luz solar, y pueden bio acumularse (Derco & Vrana, 2018).
La presencia de microcontaminantes en las aguas superficiales es una amenaza potencial para la producción de agua potable de alta calidad, mencionan que la adsorción de los microcontaminantes con carbón activado se usa a menudo en filtros de lecho fijo como una etapa de pulido en la producción de agua potable (Piai, Blokland, Van der Wal, & Langenhoff, 2020).
La adsorción representa el proceso en el que los microcontaminantes se asocian con la fase sólida, se ha informado que la adsorción de microcontaminantes en flóculos es una de los factores clave que controlan la eliminación de los microcontaminantes en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, mientras que la eficiencia depende en gran medida de las características de los microcontaminantes, por ejemplo, el enlace de hidrógeno, las interacciones electrostáticas, etc. y los absorbentes, por ejemplo, concentración de masa (Ma, Dai, Chen, Khan, & Wang, 2018). El alcance de la bioadsorción depende del tipo de biomasa. En el pasado, se ha comprobado que los fenómenos de bioadsorción, sin embargo, se ha descubierto que las sustancias no polares se acumulan en los organismos según el equilibrio de distribución entre el medio y el contenido lipídico del organismo (Derco & Vrana, 2018).
1.2.3.4. Bioadsorción en el tratamiento de aguas residuales municipales contaminantes
Los mecanismos de bioadsorción y bioacumulación están desempeñando un papel importante en las nuevas tecnologías y nuevos procesos de tratamiento de aguas residuales. Los efectos que tienen los contaminantes presentes en los efluentes residuales industriales sobre los cuerpos de agua, el entorno en el que se vierten, y en la salud humana, son diversos y con características bastante heterogéneas, de éste panorama se puede inferir entonces que, el adecuado tratamiento de dichos contaminantes, permite no solo reducir sus efectos nocivos, sino que a la vez, incrementa la posibilidad de un posterior re-uso del agua en la actividad originaria de los residuos o en otras complementarias (Ramírez, Martínez, & Fernández Ospina, 2013).
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El destino de las sustancias tóxicas, persistentes o bioacumulables y los microcontaminantes que son transportados por las aguas residuales a las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) depende en la adsorción de las partículas en suspensión, sustancias húmicas disueltas, lodos primarios y secundarios. La adsorción de la materia insoluble en las unidades de tratamiento primario y secundario es un proceso importante de eliminación de las aguas residuales. La adsorción puede producirse como resultado de interacciones hidrofóbicas entre grupos alifáticos y aromáticos de fracciones lipídicas en los lodos primarios y la membrana celular lipofílica de los microorganismos en los lodos secundarios. También se producen interacciones entre los microcontaminantes con carga positiva y los microorganismos con carga negativa en el lodo secundario (Ismail, Sulaymon, & Abbas, 2014).
a) Procesos integrados e híbridos
Debido a la creciente contaminación de las aguas residuales están desarrollando tanto el proceso de lodos activados como posibles aplicaciones de biosorción. Se trata, por ejemplo, del proceso híbrido de lodo activado con carbón activado.
Interacción de la biodegradación y la adsorción por medio del carbón activado se genera una mayor eficiencia y rendimiento del proceso debido a la concentración de materia orgánica en el carbón activado, por lo tanto, mayores tasas de oxidación biológica con mejores condiciones para la degradación de sustancias resistentes, especialmente para la industria del tratamiento de aguas residuales y remediación de aguas subterráneas (Derco & Vrana, 2018).
1.2.4. Mecanismos de bioadsorción 1.2.4.1. Fisisorción
En la adsorción física el adsorbato se adhiere a la superficie través de débiles interacciones intermoleculares de Van der Waals (Kegl, y otros, 2020), se trata de fuerzas de atracción provocadas por las pequeñas interacciones electrostáticas que se producen entre las moléculas, complementadas por diversas contribuciones electrostáticas como la polarización, las interacciones campo-dipolo, etc. (Ruthven, 2006).
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En general, la adsorción física se ve fuertemente afectada por la distribución del tamaño de los poros y la superficie de los adsorbentes, el aumento del número de microporos incrementa la superficie, lo que aumenta la absorción física (Kegl, y otros, 2020).
La adsorción física generalmente se lleva a cabo en multicapas, es decir encima de una capa de gas que es adsorbida puede adsorberse otra, representado en la figura 3, siendo que para la primera capa la entalpia de adsorción está determinada por las fuerzas entre adsorbente y adsorbato, mientras que para las capas posteriores depende de las interacciones entre adsorbato y adsorbente (Jatec Sánchez, 2013).
Figura 3. Representación de fisisorción, formación de multicapa (Li & Yuan, 2014).
1.2.4.2. Quimisorción
Fue propuesta por Langmuir en 1916 (Universidad de Valencia, 2010), donde formuló y confirmó posteriormente el concepto de que la quimisorción corresponde a la formación de un enlace químico entre el adsorbato y la superficie (Kolasinski, 2012), se trata de una interacción más fuerte que la fisisorción formando un enlace químico, generalmente covalente, estas interacciones implican una transferencia de electrones o un intercambio de electrones sustancial con la superficie del adsorbente (Ruthven, 2006).
La quimisorción es preliminar a otros dos procesos importantes: la catálisis heterogénea y el intercambio de iones estos procesos, de hecho, necesitan que las
