UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
“EVALUACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DEL H
3PO
4, TEMPERATURA Y TIEMPO DE CARBONIZACIÓN DE LA
CÁSCARA DE CAFÉ EN LA OBTENCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO”
Tesis
PRESENTADO POR:
Bach. REYES MUÑOZ, Alcides
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico
Bach. DE LA CRUZ PARI, John Kevin
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico Industrial
HUANCAYO - PERU 2021
TÍTULO
“EVALUACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DEL H
3PO
4, TEMPERATURA Y TIEMPO DE CARBONIZACIÓN DE LA
CÁSCARA DE CAFÉ EN LA OBTENCIÓN DE CARBÓN
ACTIVADO”
NOMBRE DEL ASESOR Dr. Cesar Augusto Loayza Morales.
DEDICATORIA A Dios en primer lugar por darme su
bendición y su gran misericordia, por estar conmigo e iluminar mi camino por cada paso que doy.
Mi profundo agradecimiento a mis padres y hermanos por el apoyo incondicional que me brinda día a día y por enseñarme y guiarme por el buen camino de superación personal, quienes desde pequeño me enseñaron que todo sueño uno debe buscar y luchar por ello.
Alcides
Dedico esta tesis a mi madre, a mi viejita hermosa Eusebia, quien estuvo en cada momento de mi vida universitaria alentándome, exigiéndome que no descuide mi carrera profesional, también agradezco a mi abuelita que en paz descanse, que fue como una segunda madre, siempre apoyándome, gracias por todo siempre creyeron en mí, esto es por ustedes, por el tiempo que se dedicaron a mí, por el apoyo incondicional que siempre me brindaron, gracias a mis dos madres (Eusebia y Elena).
John Evin
AGRADECIMIENTO
Agradecemos a nuestros padres, familiares y amigos que siempre estuvieron apoyándonos, asimismo, agradecer a la Facultad De Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú, quien, con los valores y conocimientos en las aulas, nos dieron la oportunidad de sumergirnos en el mundo del conocimiento, que ahora, lo practicamos en nuestra vida profesional y agradecemos a los maestros por sus enseñanzas quienes día a día con esmero y profesionalismo hacen que los estudiantes sean competitivos en el ámbito laboral.
RESUMEN
La presente investigación tuvo como objetivo general evaluar la concentración del H3PO4, temperatura y tiempo de carbonización de la cáscara de café en la obtención de carbón activado con una mayor eficiencia de remoción de colorante, los cuales fueron caracterizados mediante el análisis FTIR y evaluados en la remoción del colorante rojo reactivo 3BS de las aguas sintéticas de la industria textil, los niveles de las variables estudiadas fueron 50
% y 60 %, 1 hora y 2 horas y 400 °C y 550 °C para la concentración del H3PO4 tiempo y temperatura de carbonización respectivamente; según los resultados obtenidos, el carbón activado presentó grupos funcionales como alquinos, quinones, carboxilatos, ésteres de fosfato ácido y compuestos aromáticos; al analizar el efecto individual de las variables sobre la remoción de color, se observó que el carbón activado con una concentración del H3PO4 al 50 % alcanzó porcentajes de remoción del 88,04 %, respecto a la temperatura y tiempo de carbonización se observó que se incrementó el área superficial al incrementarse la temperatura y disminuir el tiempo, notándose una mayor remoción de colorante al utilizarse carbón activado carbonizado a 550 °C durante 1 h; al evaluar la interacción de las tres variables se alcanzó un mayor porcentaje de remoción del colorante rojo reactivo del 97,85 % al utilizar carbón activado con una concentración del H3PO4 al 50 % carbonizado a 550 °C durante 2 horas; finalmente, se construyeron isotermas de adsorción, mostrando un mayor ajuste al modelo de Langmuir, concluyendo que el carbón activado de cáscara de café presentó una capacidad de saturación de monocapa de 57,1429 mg/g.
Palabras clave: Cáscara de café, temperatura, tiempo de carbonización, ácido fosfórico, carbón activado.
INTRODUCCIÓN
El carbón activado es un material de alta porosidad que es útil en la adsorción de gases y solutos de soluciones acuosas, por lo tanto, se ha utilizado ampliamente para la separación de gases, la recuperación de solventes y la eliminación de contaminantes orgánicos del agua potable y como soporte catalítico. Los carbonos activados se utilizan como materiales adsorbentes debido a sus grandes áreas superficiales, estructuras microporosas, alto grado de reactividad superficial y alta capacidad de adsorción (Demiral y Aydin Şamdan, 2016).
Se utilizan varios tipos de precursores para producir carbón activado. Estos precursores son generalmente hidrocarburos basados en fósiles (como carbón bituminoso, lignito), biomasa natural (materiales lignocelulósicos), desechos de biomasa, polímeros y desechos carbonosos. El uso de biomasa natural es importante ya que es la materia prima renovable más abundante (Tiryaki, Yağmur, Banford, y Aktaş, 2014).
El café es uno de los productos agrícolas más importantes del mundo porque es una bebida popular preparada a partir de granos tostados, sin embargo, el procesamiento del café a menudo genera cantidades significativas de residuos sólidos, entre ellos, el residuo de café agotado (denominado ECR), y la cáscara de café.
Debido a lo mencionado en la presente investigación se planteó como objetivo la evaluación de la concentración del H3PO4, la temperatura y el tiempo de carbonización de la cáscara de café en la obtención del carbón activado con una mayor eficiencia de remoción de colorante, la estructura desarrollada estuvo dividida en tres secciones, en la primera sección es de revisión bibliográfica, en donde se presentó los antecedentes que sirvieron como base para el desarrollo de la investigación, además se presenta un marco teórico y conceptual en donde se profundiza en algunos términos como café, carbón activado y adsorción.
En la segunda sección se describió toda la parte experimental realizada, detallando los materiales y equipos utilizados además se describe los procedimientos realizados en la preparación de la cáscara de café, el proceso de impregnación con al ácido fosfórico;
asimismo, como el proceso de activación química, una vez obtenido el carbón activado de cáscara de café se describe todo los procedimientos realizados para el proceso de adsorción desde la preparación del agua sintética y el procedimiento experimental realizado para la construcción de las isotermas.
Finalmente, en la última sección se presentan los resultados obtenidos en el proceso de adsorción, se describe las concentraciones iniciales del colorante rojo reactivo y las
concentraciones finales después de la adsorción con el carbón activado de cáscara de café, identificando la influencia de las variables analizadas, asimismo los resultados son discutidos con los resultados de otros investigadores.
PROBLEMAS DE LA INVESTIGACIÓN Problema general
¿A qué concentración del H3PO4, temperatura y tiempo de carbonización de la cáscara de café se obtendrá carbón activado con una mayor eficiencia de remoción de colorante?
Problemas específicos
• ¿Qué grupos funcionales presentara el carbón activado obtenido a partir de la cascara de café mediante un análisis de FT-IR?
• ¿Cuál será la concentración del H3PO4 de la cáscara de café en la obtención del carbón activado mejorando su eficiencia en la remoción de colorantes?
• ¿Qué temperatura de carbonización influirá en la eficiencia de remoción de colorante del carbón activado obtenido de la cascará de café?
• ¿Cuánto tiempo de carbonización será necesario para aumentar la eficiencia de remoción de colorante del carbón activado obtenido de la cáscara de café?
OBJETIVOS Objetivo general
Evaluar la concentración del H3PO4, la temperatura y el tiempo de carbonización de la cáscara de café en la obtención del carbón activado con una mayor eficiencia de remoción de colorante.
Objetivos específicos
• Caracterizar el carbón activado obtenido a partir de la cáscara de café mediante un análisis de FT-IR.
• Determinar la concentración del H3PO4 de la cáscara de café en la obtención del carbón activado para mejorar su eficiencia en la remoción de colorantes.
• Determinar la temperatura de carbonización que influirá en la eficiencia de remoción de colorante del carbón activado obtenido de la cascará de café.
• Establecer el tiempo de carbonización que será necesario para aumentar la eficiencia de remoción de colorante del carbón activado obtenido de la cáscara de café.
SIMBOLOGIA UTILIZADA IR: Espectroscopia infrarroja
FTIR: Transformada de Fourier infrarroja mL: Mililitro
nm: Nanómetro
CAP: Carbón activado en polvo CAG: Carbón activado granular
IUPAC: Unión Internacional de Química Pura y Aplicada Pr: Presión relativa
K: Kelvin
Kg: Kilogramos
mL: Mililitro
INDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIA iv
AGRADECIMIENTO v
RESUMEN vi
INTRODUCCIÓN vii
PROBLEMAS DE LA INVESTIGACIÓN ix
OBJETIVOS x
SIMBOLOGIA UTILIZADA xi
INDICE DE CONTENIDO xii
ÍNDICE DE TABLAS xv
ÍNDICE DE FIGURAS xvi
REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 18
1.1. Antecedentes de la investigación 18
1.2. Marco teórico 22
1.2.1. El café 22
1.2.2. Carbón activado 24
1.2.3. Adsorción 28
1.3. Marco conceptual 32
2. PARTE EXPERIMENTAL 34
2.1. Metodología 34
2.2. Diseño experimental 34
2.3. Materiales, reactivos y equipos 35
2.3.1. Materiales 35
2.3.2. Reactivos 35
2.3.3. Equipos 36
2.4. Metodología experimental 36
2.4.1. Obtención del material adsorbente (Cáscara de café) 36
2.4.2. Proceso de adsorción con el agente activante (H3PO4) 36 2.4.3. Proceso de activación química del carbón elaborado a partir de la
cáscara del café 37
2.4.4. Caracterización del carbón activado elaborado a partir de la cáscara de
café 38
2.4.5. Capacidad de adsorción del carbón activado de cáscara de café 38
3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 42
3.1. Tratamiento de datos 42
3.1.1. Determinación de la longitud de onda del colorante 42 3.1.2. Concentración final del colorante después del tratamiento con
carbón activado. 44
3.2. Discusión de resultados 48
3.2.1. Caracterización del carbón activado de cáscara de café 49 3.2.2. Evaluación de la concentración del H3PO4 con la cáscara de café 51
3.2.3. Evaluación del tiempo de carbonización 53
3.2.4. Evaluación de la temperatura de carbonización 55
3.2.5. Interacción de las tres variables 57
3.2.6. Isotermas de adsorción 58
3.3. Contrastación de hipótesis 62
3.3.1. Prueba de normalidad 62
3.3.2. Análisis ANOVA 63
3.3.3. Contrastación de la hipótesis general 65
3.3.4. Contrastación de la segunda hipótesis especifica 66 3.3.5. Contrastación de la tercera hipótesis especifica 67 3.3.6. Contrastación de la cuarta hipótesis especifica 68
CONCLUSIONES 69
RECOMENDACIONES 71
BIBLIOGRAFÍA 72
ANEXOS 76
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Operacionalización de variables 34
Tabla 2: Esquema del diseño experimental 35
Tabla 3: Concentraciones del colorante rojo reactivo 3BS con su respectiva
absorbancia 43
Tabla 4: Concentración del ácido fosfórico y tiempo y temperatura de carbonización de los carbones activados de cascarilla de café utilizados en cada tratamiento 44 Tabla 5: Absorbancias y concentraciones del agua sintética de textilería después
del tratamiento con carbón activado de cáscara de café 45 Tabla 6: Concentración final promedio del colorante rojo reactivos 3BS después del tratamiento con carbón activado de cáscara de café 46 Tabla 7: Porcentaje de remoción del colorante rojo reactivos 3BS con carbón activado
de cáscara de café 48
Tabla 8: Porcentaje de remoción promedio del colorante rojo reactivos 3BS después del tratamiento con carbón activado de cáscara de café 49 Tabla 9: Capacidad de adsorción en el equilibrio del carbón activado de cáscara de
café para diferentes dosis 58
Tabla 10: Análisis de varianza para los porcentajes de remoción del colorante
rojo reactivo con carbón activado de cáscara de café 63
Tabla 11: Resumen del modelo 65
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Semillas de café... 22
Figura 2. Pulpa y cáscara de café ... 23
Figura 3. Estructura del carbón activado ... 24
Figura 4. Carbón activado pulverizado... 27
Figura 5. Carbón activado granulado ... 27
Figura 6. Etapas donde ocurre la adsorción ... 29
Figura 7. Ejemplos de estructuras de una zeolita ... 32
Figura 8. Diagrama de procesos del desarrollo experimental ... 40
Figura 9. Esquema de diseño experimental ... 41
Figura 10. Espectro de ultravioleta visible del rojo reactivo 3BS ... 42
Figura 11. Curva de calibración para el colorante rojo reactivo 3BS ... 43
Figura 12. Concentración del colorante rojo reactivo después del proceso de ... adsorción utilizando carbón activado de cáscara de café con una concentración ... del ácido fosfórico al 50 % ... 47
Figura 13. Concentración del colorante rojo reactivo después del proceso de ... adsorción utilizando carbón activado de cáscara de café con una concentración ... del ácido fosfórico al 60 % ... 47
Figura 14. Espectro FTIR del carbón activado de cáscara de café ... 50
Figura 15. Evaluación del efecto de la concentración del ácido ... fosfórico en el porcentaje de remoción de colorante rojo reactivo... 51
Figura 16. Gráfica de contorno para el porcentaje de remoción de colorante rojo ... reactivo vs tiempo y concentración de ácido fosfórico ... 52
Figura 17. Evaluación del efecto del tiempo de carbonización en el porcentaje ... de remoción de colorante rojo reactivo ... 53
Figura 18. Gráfica de contorno para el porcentaje de remoción de colorante rojo ... reactivo vs tiempo y temperatura ... 54
Figura 19. Evaluación del efecto de la temperatura de carbonización en el porcentaje .... de remoción de colorante rojo reactivo ... 55
Figura 20. Gráfica de contorno para el porcentaje de remoción de colorante rojo ... reactivo vs temperatura y concentración del ácido fosfórico ... 56
Figura 21. Gráfica de cubo para el porcentaje de remoción de colorante rojo reactivo . 57 Figura 22. Representación gráfica de la isoterma de Freundlich ... 59
Figura 23. Representación gráfica de la isoterma de Langmuir ... 60
Figura 24. Gráfica de probabilidad normal ... 62 Figura 25. Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el porcentaje de ...
remoción de color con carbón activado de cáscara de café ... 64 Figura 26. Comparaciones simultaneas de MCB de Hsu para la concentración ...
del ácido fosfórico con cáscara de café ... 66 Figura 27. Comparaciones simultaneas de MCB de Hsu para la temperatura ...
de carbonización ... 67 Figura 28. Comparaciones simultaneas de MCB de Hsu para el tiempo de ...
carbonización ... 68
REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 1.1. Antecedentes de la investigación
En el artículo de investigación realizado por Reffas et al., (2010) los carbones activados se prepararon mediante pirolisis de los posos de café impregnados con ácido fosfórico en 450 ºC para diferentes proporciones de impregnación: 30 %, 60
%, 120 % y 180 % de peso,, caracterizaron los materiales por su química de superficie mediante análisis elemental, "titulaciones de Boehm", mediciones de punto de carga cero, espectroscopia infrarroja, análisis termogravimétrico (TGA); así como por su estructura porosa y morfológica mediante Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) y adsorción de nitrógeno a 77 K; encontraron que la relación de impregnación gobierna la estructura porosa de los carbonos activados preparados; las bajas relaciones de impregnación (< 120 % en peso) dieron lugar a carbones activados esencialmente microporosos y ácidos, mientras que las altas relaciones de impregnación (> 120 % en peso) dieron lugar a carbones esencialmente mesoporosos con superficies específicas de hasta 925 m2/g, un volumen de poro de hasta 0,7 cm3/g y una superficie neutra; los carbones activos preparados a partir de los granos de café se compararon con un carbón activo comercial (SBET ∼1400 m2/g) por sus isotermas de adsorción de azul de metileno y "Nylosan Red N-2RBL", un colorante catiónico y azoico (azoico), respectivamente; la estructura mesoporosa del material producido con una proporción de H3PO4 de 180 wt. % se consideró apropiada para una absorción eficiente de este último colorante azoico.
En la investigación realizado por Baquero et al., (2003) prepararon carbones activados (Acs) mediante pirolisis de la cáscara del grano de café en presencia de ácido fosfórico (actividades químicas), impregnaron las cáscaras de los granos de café colombiano con soluciones acuosas de H3PO4 siguiendo una variante del método de humedad incipiente, utilizaron concentraciones diferentes para producir relaciones de impregnación de 30 %, 60 %, 100 % y 150 % de peso; la activación se llevó a cabo bajo flujo de argón calentándolo a 723 K con un tiempo de remojo de 1 h; caracterizaron la textura porosa de los ACs obtenidos por adsorciones físicas de N2 a 77 K y de CO2 a 273 K; la ración de impregnación tuvo una fuerte influencia en la estructura porosa de estos Acs, que podía ser fácilmente controlada simplemente variando la proporción de H3PO4 utilizada en la activación; por lo tanto, la baja
relación de impregnación llevó a Acs esencialmente microporosos; en relaciones de impregnación intermedias, se obtuvieron ACs con una distribución de tamaño de poro más amplia (desde microporos hasta mesoporos); finalmente, los altos índices de impregnación produjeron carbonos esencialmente mesoporosos con una gran superficie y volumen de poros.
Nabais et al., (2008) estudió el uso del endocarpio del café como precursor para la producción de carbones activados por vapor y CO2; la activación por ambos métodos produce carbones activados con pequeñas áreas externas y estructuras microporosas con anchos medios de poro muy similares; la activación por vapor produjo principalmente microporos primarios y sólo un pequeño volumen de microporos más grandes, mientras que la activación de CO2 condujo a muestras con mayor área de superficie y volumen de poros en comparación con muestras producidas por activación de vapor y con un valor de quemado similar; mediante análisis FTIR identificaron la formación en la superficie del carbón activo de varios grupos funcionales, a saber, éter, quinonas, lactonas, cetonas, hidroxilos (libres y fenoles), pironas y enlaces Si-H.
En el trabajo realizado por Ahmad y Rahman, (2011), prepararon carbón activado a base de cáscara de café (CHAC) mediante activación físico-química para la eliminación del colorante Remazol Brilliant Orange 3R (RBO3R) de la solución acuosa; investigaron los efectos de la concentración inicial del colorante, el tiempo de contacto, la temperatura de la solución y el pH en la adsorción de RBO3R, el resultado mostró que la adsorción de RBO3R fue favorable a pH ácido; encontraron que la adsorción aumentaba con el aumento de la concentración inicial de RBO3R, el tiempo de contacto y la temperatura de la solución; el modelo isotérmico de Langmuir encajó bien en los datos de equilibrio de adsorción con una capacidad de saturación de una sola capa de 66,76 mg/g a 303 K, respecto a la cinética encontraron que la adsorción siguió el modelo cinético de pseudo-segundo orden; encontraron que el proceso de adsorción fue endotérmico y que el mecanismo de reacción siguió un proceso de fisionomía.
En la investigación realizada por Gonçalves, Guerreiro, Ramos, Oliveira, y Sapag, (2013), prepararon carbones activados (CA) para la adsorción de compuestos
orgánicos de la pulpa del café mediante temperatura controlada en diferentes relaciones pulpa/Na2HPO4 (4:1, 2:1, 5:4 y 1:1); las isotermas de adsorción/desorción de N2 mostraron CA con grandes cantidades de mesoporos y microporos y superficies específicas de 140 m2/g, 150 m2/g, 450 m2/g y 440 m2/g para CA 4:1, CA 2:1, CA 5:4 y CA 1:1, respectivamente; el material preparado AC 5:4 mostró una mayor capacidad de eliminación de los contaminantes orgánicos azul de metileno (MB), rojo directo (DR) y fenol que un Merck AC; las capacidades máximas para este AC fueron aproximadamente 150 mg/g, 120 mg/g y 120 mg/g para MB, DR y fenol, respectivamente.
En el trabajo de investigación de L. C. A. Oliveira et al., (2009), utilizaron cloruro férrico como nuevo agente activador, para obtener carbones activados (CA) a partir de residuos agroindustriales (cáscara de café); compararon este material con dos muestras de la misma materia prima: una de ellas activada con el agente activador clásico, cloruro de zinc, y la otra, activada con una mezcla de los dos agentes activadores mencionados en la misma proporción de masa; los materiales carbonosos obtenidos tras el proceso de activación presentaron una elevada superficie específica (BET), con valores superiores a 900 m2/g, la activación con FeCl3 produjo poros más pequeños que la activación con ZnCl2 la temperatura de activación para el uso del FeCl3 como agente activador fue de 280 ºC, valor por debajo de la temperatura comúnmente empleada para la activación química o física, todos los materiales estudiados mostraron diferentes comportamientos en la adsorción de colorante de azul de metileno y fenol de soluciones acuosas.
En el artículo de investigación realizado por Gonçalves et al., (2013), prepararon carbones activados a partir de pulpa de café por temperatura controlada a diferentes proporciones de pulpa Na2HPO4 (4:1, 2:1, 5:4 y 1:1), las isotermas de adsorción o desorción de N2 mostraron carbones activados con altas cantidades de mesoporos, microporos y áreas de superficie específicas de 140 m2/g, 150 m2/g, 450 m2/g y 440 m2/g para carbones activados de 4:1, 2:1, 5:4 y 1:1, respectivamente; el carbón activado de 5:4 mostró una mayor capacidad de eliminación de los contaminantes orgánicos azul de metileno, rojo directo y fenol que hizo un Merck de carbón activado; las capacidades máximas para este carbón activado fueron aproximadamente 150 mg/g, 120 mg/g y 120 mg/g para azul de metileno, rojo directo
y fenol, respectivamente, de este modo, obtuvieron un buen adsorbente de la pulpa de café, un abundante residuo brasileño.
En la investigación realizada por Lamine et al., (2014), probaron el residuo de café como precursor para la producción de carbonos porosos en un esquema químico que utiliza ácido fosfórico; la materia prima fue impregnada y luego paralizada respectivamente a 600 ºC y 700 °C durante 1 h; caracterizaron los productos resultantes por la adsorción de fenol a temperatura ambiente, las relaciones de impregnación mostraron una fuerte influencia en la capacidad de adsorción y en la superficie; el equilibrio de adsorción se alcanzó a los cuarenta minutos; desarrollaron isotermas de adsorción de acuerdo a los modelos de Langmuir y Freundlich.
En el artículo de investigación de Villota et al., (2018) encontraron la concentración práctica de H3PO4 para la activación química de los precursores de biomasa para obtener un rendimiento óptimo del carbón activado y características de textura, descubrieron que el exceso de H3PO4 tuvo el efecto negativo de ralentizar el tiempo de pirolisis, ya que promovió la absorción deficiente de microondas en el complejo de biomasa-H3PO4; la optimización numérica reveló que la activación química al 56,50 % de H3PO4 y la pirolisis con una potencia de microondas de 650 W fue un equilibrio racional en términos de maximizar el rendimiento y el área de superficie mientras se minimizan los agentes de activación y la energía de microondas, en estas condiciones, el tiempo de pirolisis de alrededor de 30 min, rindió a alrededor de 39,65
%, y se pudo esperar un área de superficie de 826,38 m2/g, sin embargo, el área de superficie pudo ser tan alta como 1726,5 m2/g pero requeriría 84,83 % de H3PO4 en la activación, aproximadamente 803,75 W de potencia y 48 minutos de tiempo de carbonización.
En el trabajo de investigación de Li et al., (2011) pirolizaron enteromorpha prolifer para preparar carbón activado usando la activación química por cloruro de zinc, investigaron el efecto de los parámetros de activación, como la temperatura de activación, la relación en peso (Enteromorpha prolifera a ZnCl2) y el tiempo de activación, los resultados BET mostraron que el área superficial y el volumen de poro de los carbonos activados alcanzaron hasta 1722 m2/g y 1,11 cm3/g, respectivamente, en las condiciones óptimas de activación, llevaron a cabo estudios de adsorción por
lotes para estudiar las propiedades de adsorción de X-GRL rojo catiónico sobre carbón activado variando los parámetros como el pH de la solución inicial, el tiempo de contacto y la temperatura, los estudios cinéticos mostraron que los datos de adsorción siguieron un modelo de pseudo segundo orden, el análisis de isotermas indicó que los datos de adsorción podrían estar representados por el modelo de isotermas de Langmuir, la capacidad de adsorción de monocapa Langmuir de X-GRL rojo catiónico se estimó en 263,16 mg/g a pH 6,0.
1.2. Marco teórico 1.2.1. El café
El café, es la denominación de la semilla del cafeto, un árbol que crece espontáneamente en territorio etíope, que pertenece al grupo de las Rubiáceas.
El cafeto ostenta de cuatro a seis metros de alto, exhibe hojas opuestas de tonalidad verduzca, sus frutos se muestran en baya roja y sus flores son blancas.
La semilla de este árbol, en otras palabras, el café, suele medir cerca de un centímetro, siendo convexa por una parte y plana por la otra, con un surco longitudinal y de color es amarillo verdoso (Pérez Porto y Merino, 2012).
Figura 1. Semillas de café
Fuente: (Pérez Porto y Merino, 2012).
El café verde antes de ser procesado tiene diversos ácidos y carbohidratos, agua, cafeína, lípidos, trigonelina, minerales y proteínas. El café tostado ostenta en su composición azúcares caramelizados y reductores, cafeína, hemicelulosa, proteínas, ácidos no volátiles, lípidos, trigonelina, cenizas y fibra, los elementos fundamentales que las componen son fósforo, magnesio y potasio (Pérez, 2011).
A) La pulpa del café
La pulpa de café se origina durante el procesamiento del café por vía húmeda, es un material fibroso mucilaginoso y se le conoce como pulpa de café y compone cerca del 40 % del peso fresco de la cereza de café. Por cada tonelada de cereza de café procesada por esta vía se genera cerca de media tonelada de pulpa. Cuando el procesamiento del café se realiza por vía seca, se designa cáscara de café y solo se generan alrededor de 90 kg (Pandey et al., 2000).
La pulpa de café es el primer producto que es adquirido a través del método usado para el procesamiento del fruto de café y representa, en base húmeda, alrededor del 43,58 % del peso del fruto fresco (McMullan, 2001).
Figura 2. Pulpa y cáscara de café Fuente: (Sila, 2012)
B) La cáscara del café
La cáscara del café es uno de los desechos de procesamiento agroindustrial más grandes, que consiste en lignina (18 %), celulosa (45 %) y hemicelulosa (28
%). El procesamiento del café genera importantes cantidades de desechos agrícolas. Las cáscaras de café (CH), compuestas de piel exterior seca, pulpa y pergamino, son el principal residuo de la manipulación y el procesamiento del café, representan aproximadamente el 25,5 % del peso del café (Ayalew y Aragaw, 2020).
El café es uno de los productos agrícolas primarios y genera un gran volumen de residuos, no solo por la considerable producción anual, sino también por la pequeña fracción de fruta que se utiliza como producto final. Cada año se producen alrededor de 30 millones de toneladas de residuos sólidos (cascarilla y pulpa), y la mayoría se elimina de manera inadecuada. Solo una parte de esos residuos se utiliza para aplicaciones prácticas limitadas, como materia prima para la producción de combustible; materia prima para la obtención de
compuestos químicos; o como aditivo en alimentos para animales, como complemento nutricional. Existen algunos antecedentes en el uso de residuos de café de Tailandia y Colombia como precursor de carbones activados (L.
Oliveira et al., 2009).
1.2.2. Carbón activado
El carbón es el nombre general para adsorbentes carbonosos que tiene una gran superficie interna y una estructura porosa. Un carbón activado está conformado por microcristales elementales, y lo integran estructuras bidimensionales de planos hexagonales de átomos de carbono, pero que les hace falta el orden cristalográfico en la dirección perpendicular a las láminas, esto quiere decir que, los planos se encuentran desplazados unos respecto a otros y solapando entre sí, por lo que presentan la estructura altamente desordenada en porcentaje (Dietrich, 1999).
El carbón activado consigue adsorber una gran diversidad de sustancias, en otras palabras, son capaces de captar moléculas a su superficie interna y por consiguiente actuar como adsorbente. El volumen de poro de carbones activados es comúnmente mayor que 0,2 mL/g. El área de superficie interna es normalmente mayor que 400 m2/g. La anchura de los poros cambia de 0,3 a varios miles de nanómetros (Rodríguez Valencia y Zambrano Franco, 2010).
Figura 3. Estructura del carbón activado Fuente:(Dietrich, 1999)
A) Composición química del carbón activado
La composición química del carbón activo esta con proximidad de un 75 % a 80 % en carbono, 5 % a 10 % en cenizas, 60 % en oxígeno y 0,5 % en hidrógeno. El término carbón activo designa una extensa imagen de materiales que se diferencian esencialmente en su granulometría y en su estructura interna
(distinción de poros y superficie específica). Desde la perspectiva de la composición química, el carbón activo es carbón casi puro, de la misma manera que el grafito, el diamante, el negro de humo y los diversos carbones de leña o minerales. Todos ellos tienen la similitud de la propiedad de adsorber, que depende de un fenómeno fisicoquímico en el que un sólido denominado adsorbente atrapa en sus paredes a diversos tipos de moléculas, llamadas adsorbatos y que están contenidas en un gas o líquido (Escuela Politecnica Superior Universidad de Sevilla, 2002).
B) Procesos de fabricación del carbón activado
Los carbones activados son producidos a base de materiales orgánicos ya que tienen abundancia de carbón, en especial cáscaras de frutas, el carbón mineral, madera, huesos, aceites pesados, celulosa, azúcar, aserrín, granos de maíz, entre otros más. La elección de la materia prima está vinculada con su pureza, disponibilidad, precio y la probable aplicación de este producto. Existen dos métodos de fabricación: la activación química y la activación física (Pedrozo, Castillo, Fuentes, y Maestre, 2011).
a. Activación física
La activación física se efectúa en dos fases: la gasificación controlada del carbonizado y la carbonización de la materia prima, las cuales se llegan a ejecutar en hornos rotatorios fabricados en materiales refractarios y en acero inoxidable para resistir elevadas temperaturas. La carbonización es la modificación del precursor a carbón, donde se suprime el oxígeno y el hidrógeno, para originar el comienzo de un esqueleto carbonoso con una configuración porosa, aquella etapa se efectúa a temperaturas menores a 700 ºC en ausencia de oxígeno (Soto, 2007).
En el tiempo de la activación, el sólido es exhibido a una atmósfera oxidante (dióxido de carbono, oxígeno, vapor de agua) a temperaturas que varían de 800 ºC a 1000 ºC, lo cual elimina los compuestos volátiles, incrementando el área superficial y volumen de poros (Soto, 2007).
b. Activación química
La activación química se efectúa en una sola fase, donde la materia prima establece contacto con un activador químico, dichos activadores pueden ser ácido sulfúrico, ácido fosfórico, cloruro de zinc, entre otros y se calienta a
temperaturas que se encuentren en medio de 400 °C a 700 ºC procurando una atmósfera inerte. Los activadores químicos que se utilizan son capaces de disminuir la formación de materiales alquitranes y volátiles, levantando el rendimiento en carbono, pero dependiendo del activador químico empleado, el carbón activado tendrá menor o mayor volumen y cantidad de poros, una vez obtenido el carbón activado se lava para eliminar la impureza del activador químico empleado. También, estos carbones se pueden activar físicamente mediante gasificación parcial con vapor de agua o dióxido de carbono y de esta manera producir carbones activados con áreas superficiales mayores (Soto, 2007).
Este proceso de activación química produce esencialmente un carbón activado en polvo. Si se requiere material granular, las materias primas granulares se empapan con el agente activador y se utiliza el mismo proceso. No obstante, los carbonos activados granulares obtenidos tienen una baja resistencia mecánica y no son adecuados para diversos usos en fase gaseosa.
La activación química con ZnCl2 fue el proceso que más se utilizó hasta el año 1970, esencialmente para la activación de residuos de madera. Sin embargo, su uso se ha restringido mucho en la época actual, a causa de los problemas medioambientales que implica el uso del ZnCl2, no obstante, algunos países aún siguen utilizando este proceso para obtener carbón activado como China.
La activación química con H3PO4 es la que en realidad ha reemplazado al ZnCl2
y los precursores en este tipo de activación en su mayoría son, como en el caso de ZnCl2, residuos forestales (madera, cáscara de coco, hueso de aceituna, etc.).
La activación química con KOH se desarrolló en el transcurso de la época 70, para manufacturar los denominados “carbones superactivados”, con superficies particulares del orden de los 3000 m2/g., en comparación con los otros dos agentes activantes, los precursores que son mejores para la activación con KOH son aquellos de alto contenido en carbono y bajo contenido en volátiles, como los coque de petróleo, carbones minerales de alto rango, carbonizados, etc.
(Bansal, Donnet, y Stoeckli, 1988).
C) Tipos de carbón activado a. Pulverizado
Los carbones pulverizados activados tienen una estructura porosa bien definida y una gran área superficial, en la cual prevalecen los macroporos y medios.
Éste se adiciona al fluido a procesar, por lo cual seguidamente se remueve por sedimentación o filtración después de estar en conexión un determinado tiempo. La conexión intima que se manufactura con el fluido es debido al tamaño de sus partículas, así como sus propiedades de sedimentación y humedad (Lazo, 2015).
Figura 4. Carbón activado pulverizado
Fuente: (Hidalgo Segovia & Rivera Garces, 2017)
b. Granulado
El carbón activado granular es manufacturado en base a materias primas rígidas, lo que le facilita al carbón conseguir la dureza requerida para precaver las pérdidas por manipulación y fricción. Tienen una levantada área superficial, que le concede una gran capacidad de adsorción que depende de su aplicación.
Comúnmente, son utilizados en columnas de lechos móviles o fijos para procesar los fluidos (Lazo, 2015).
Figura 5. Carbón activado granulado
Fuente: (Hidalgo Segovia & Rivera Garces, 2017)
c. Aplicaciones del carbón activado
Según (Escuela Politecnica Superior Universidad de Sevilla, 2002) menciona que las aplicaciones del carbón activado esenciales son:
• Se considera un antídoto universal, ya que es utilizado en el tratamiento de individuos con intoxicaciones agudas.
• Se utiliza en los compuestos y toxinas que producen color, potabilizando el agua, reteniendo los detergentes, plaguicidas, grasas, aceites, subproductos de la desinfección.
• Sirve en la recuperación de oro, el cual se separa de los minerales disolviéndolo en cianuro de sodio para luego ser adsorbido por el carbón activado.
• Se utiliza en la refinación del azúcar para conservar las proteínas que suministran al jugo de caña el color; y así impedir que el azúcar se desperdicie y fermente.
• Se emplea en la purificación de aire, como lugares donde se aplican solventes, plantas de tratamiento de agua, mecanismos para recircular el aire en espacios públicos.
• Es conveniente en la decoloración de glucosa de maíz, aceites vegetales, y otros líquidos de la industria alimenticia.
1.2.3. Adsorción
La adsorción es un fenómeno de superficie que abarca la transferencia de masa del adsorbato que por lo general es un líquido o gas, a la superficie de un sólido llamado adsorbente. Este procedimiento ocurre en la región interfacial, en tres etapas consecutivas. En la primera etapa ocurre la difusión externa donde el adsorbato se aproxima a la superficie externa del sólido, venciendo la resistencia que se encuentra acumulada en una fina película límite alrededor del adsorbente. La superficie externa que exhibe el sólido es generalmente menor al 1 % del total existente. En la segunda etapa, nombrada de difusión interna, el adsorbato se desplaza a través de la red porosa del sólido. Por último, en la tercera etapa, el adsorbato se une a la superficie del adsorbente dándose la adsorción (Montes, 2008).
Figura 6. Etapas donde ocurre la adsorción Fuente: (Dica, 2001)
La propiedad de adsorción de los carbones activados está delimitada por su naturaleza química y por su estructura porosa, ya que aquella estructura ostenta mínimas cantidades de heteroátomos como nitrógeno, oxígeno e hidrógeno.
Esto permite que el carbón activado conserva las sustancias polares sobre la superficie, ya que los átomos de carbono situados en los bordes de los planos muestran una gran actividad disponible, ya que no se encuentran saturados en átomos de carbono y ostentan electrones libres (Parejo, Ortega, León, Abano, y Cárdenas, 2015).
A) Equilibrio de la adsorción
Según Mestanza, (2012) en el equilibrio de adsorción se encuentra una definida proporción de soluto repartida entre las dos fases, sólida y líquida. La forma usual de expresar esta distribución es la capacidad de equilibrio, delimitado como:
𝑄𝑒 =𝐶𝑜−𝐶𝑒
𝑊 × 𝑉 (1)
Siendo:
• “Qe” la capacidad de equilibrio, que informa de la concentración de adsorbato en fase sólida.
• “Co” es la concentración inicial de adsorbible en fase líquida.
• “Ce” es la concentración de absorbible en fase líquida en el equilibrio.
• “V” es el volumen de disolución.
• “W” es la masa de adsorbente.
No obstante, las isotermas de adsorción son curvas construidas a partir de pares (Ce, Qe) a una temperatura constante.
Los datos de equilibrio de adsorción se analizan a través de las isotermas de Freundlich o Langmuir.
a) Isoterma de Freundlich
Según Grisales Motato y Rojas Arrieta, (2016) de todas las fórmulas aplicadas para el procesamiento de datos experimentales de las isotermas, la más común para describir las características de adsorción del carbón activado utilizado en el tratamiento de aguas residuales es la Isoterma de Freundlich.
Aquella formula siguiente es de la isoterma de Freundlich:
𝑋
𝑚
= 𝐾𝑓𝐶𝑒
1𝑛(2)
Donde:
• “X/m” es una cantidad adsorbida por peso unitario de adsorbente (carbón).
• “Kf” son constantes empíricas.
• “Ce” es una concentración de equilibrio del adsorbato en solución después de la adsorción.
• “n” es una constante empírica.
Las constantes de la isoterma de Freundlich se determina representando gráficamente la relación entre (X/m) y Ce, utilizando la ecuación anterior modificada de la siguiente forma:
Log (
Xm
) = log Kf + log 𝐶𝑒 (3)
b) Isoterma de Langmuir
Según Tubert y Talanquer, (1995) en el año 1916, Langmuir desarrolló un modelo sencillo para lograr considerar el grado de adsorción de un gas encima de una superficie conectado con la presión del fluido. El modelo de Langmuir deduce que:
• Las moléculas adsorbidas no se mueven sobre la superficie.
• El adsorbato forma una capa monomolecular sobre la superficie.
• No existe interacción entre las moléculas adsorbidas.
• Todos los sitios de la superficie son equivalentes.
Según Jenkins, (1994) el modelo de Langmuir se puede expresar de la siguiente manera:
𝑋 𝑚
=
(𝑋
𝑚) máx 𝑏𝐶𝑒𝑞
1+𝑏𝐶𝑒𝑞
(4)
Donde:
• “(x/m)” son moles de soluto adsorbidas/g de adsorbente.
• “(x/m) máx” es el valor máximo de x/m (constante para cualquier sistema).
• “b” es una constante que está relacionada a la energía de adsorción.
• “Ceq” es la concentración de soluto de la solución en equilibrio (moles/L) Dicha ecuación se puede expresar de forma lineal:
1
𝑋 𝑚
=
1(𝑚𝑋)𝑚á𝑥 𝑏𝐶𝑒𝑞
+
1(𝑚𝑋)𝑚á𝑥
(5)
La cual interpreta un modelo útil para exhibir los datos de adsorción.
B) Tipos de adsorción
A continuación, se explica dos tipos de adsorción las cuales son:
a) Adsorción química
La adsorción química también tiene el nombre de quimisorción y se manufactura cuando las moléculas adsorbidas reaccionan químicamente con la superficie del adsorbente, en otras palabras, se rompen y se forman enlaces, esta reacción solo se produce en medio de una monocapa de la superficie.
Cuando se forma nuevos enlaces, la unión química es más resistente por lo tanto más difícil de revertir por lo que requiere muchísima energía para desprender las moléculas adsorbidas en la adsorción física. Aquello es un muy desfavorable para este tipo de adsorción ya que se requieren temperaturas mayores en los captadores solares y todo lo que involucra (Vicente, 2015).
b) Adsorción física
En la adsorción física o conocida también como fisisorción no se producen nuevos enlaces por lo que la superficie del adsorbente y el adsorbato solo interactúan por las fuerzas de Van der Waals. Las moléculas adsorbidas físicamente están enlazadas a la superficie débilmente y por ello la energía para la desorción es ligeramente baja. Un punto fundamental también es la dependencia con la temperatura en la adsorción, entonces para que el proceso
de adsorción sea óptimo, la temperatura de adsorción tiene que ser baja. Los adsorbentes que más se emplean en este tipo de adsorción son la alúmina, la zeolita, el gel de sílice y el carbón activo, aquellos materiales poseen una estructura que es altamente porosa, y la relación entre la superficie y el volumen es del orden de cien. Otra diferencia que existe de la fisisorción en comparación de la quimisorción es que la adsorción física puede ir desde unas limitadas moléculas de espesor a espesores numerosos debido a que las fuerzas de Van der Waals pueden difundirse entre capas de moléculas (Vicente, 2015).
Figura 7. Ejemplos de estructuras de una zeolita Fuente: (Vicente, 2015).
De todos los adsorbentes como la zeolita, el gel de sílice, el carbón activo y la alúmina, se pueden utilizar en diversas aplicaciones, pero actualmente el más utilizado a diferencia de todos los adsorbentes es el gel de sílice, continuo del carbón activo y zeolitas (Vicente, 2015).
1.3. Marco conceptual
• Aguas residuales industriales: Proceden de los procesamientos realizados en establecimientos industriales y fábricas que contienen aceites, detergentes, antibióticos, ácidos, grasas, otros productos y subproductos de origen animal, mineral, químico o vegetal. Su composición es demasiada variable, que depende de las diversas actividades industriales (Espigares García y Pérez López, 1985).
• Activación química: Se obtiene a través de un tratamiento termoquímico, generalmente denominado tratamiento químico. Mediante este proceso, sea con ácido fosfórico, cloruro de zinc u otros reactivos químicos, la materia prima se transforma en carbón, pero adquiriendo propiedades con una gran poder y actividad de adsorción. El proceso de activación química es utilizado directamente
con la materia prima, en comparación de la fisisorción donde tiene que haber una carbonización previa a la activación (Grisales Motato y Rojas Arrieta, 2016).
• Carbón activado: El carbón activado es un mineral que se encuentra conformado por carbono, por lo cual se lo considera de origen orgánico. Se caracteriza por ser altamente poroso, con gran cantidad de agujeros, con una superficie llena de microporos del tamaño de nanómetros (León Martínez, 2012).
• Adsorción: La adsorción es una operación unitaria que consiste en la separación de un componente disuelto en una corriente, gas o líquida, por retención sobre un sólido. Los sólidos adsorbentes requieren de grandes áreas superficiales y una estructura porosa para que el adsorbato ingrese a la superficie (Hidalgo Segovia y Rivera Garces, 2017).
• Colorantes: Los colorantes son sustancias que al aplicarse a un sustrato fibra textil, cuero, papel, polímero, alimento, bien en disolución o bien en dispersión, le confieren un color más o menos permanente. El sustrato debe tener cierta afinidad química por él, para retenerlo (Grisales Motato y Rojas Arrieta, 2016).
• El café: El exquisito café se origina en dos semillas de pulpa dulce y con un lado plano, que crecen dentro de la fruta o cereza del cafeto, parecida en tamaño y forma a la del arandino. Estas semillas están protegidas por una sedosa envoltura opaca, llamada piel plateada y una vaina adherida al tejido cuando sólo un grano redondo se desarrolla dentro de la cereza, este es llamado carolito (David y Nini, 2010).
2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Metodología
La metodología aplicada fue del tipo experimental dado que, se manipuló las variables independientes (concentración del H3PO4, tiempo y temperatura de carbonización) y se observó su efecto en la variable dependiente (eficiencia de remoción de colorante del carbón activado de cáscara de café), el proceso experimental se desarrolló en un ambiente controlado y se hizo uso de estadística inferencial para contrastar y evaluar los resultados obtenidos, considerándose que, los carbones activados obtenidos se evaluaron en base a su eficiencia en la remoción del colorante rojo reactivo 3BS.
La operacionalización de las variables se describe a continuación:
Tabla 1: Operacionalización de variables
Variable Definición conceptual Indicador
Concentración del H3PO4
47,06 mL de ácido fosfórico al 85 % aforado a 100 mL de agua destilada, que impregnaron con 50 g y 60 g de cáscara de café.
% Tiempo de
carbonización
Periodo de tiempo en el que la cáscara de café fue sometida a activación química en un horno horizontal casero.
°C Temperatura de
carbonización
Energía interna dada a las cáscaras de café para su activación como carbón activado, en un horno horizontal casero.
horas Eficiencia de
remoción de colorante del carbón activado de
cáscara de café
Síntesis de carbones activados a partir de cáscara de café y evaluados en la remoción de colorante rojo reactivo
%
Fuente: Elaboración Propia
2.2. Diseño experimental
El diseño para en trabajo de investigación será factorial 23, debido a que se tiene tres factores o variables independientes y cada uno con dos niveles de evaluación
Tabla 2: Esquema del diseño experimental
Tiempo de carbonización
1 h 2 h
Temperatura de carbonización
400 °C 550 °C 400 °C 550 °C Concentración
del H3PO4
50 % Rem. Col. Rem. Col. Rem. Col. Rem. Col.
60 % Rem. Col. Rem. Col. Rem. Col. Rem. Col.
Fuente: Elaboración Propia
2.3. Materiales, reactivos y equipos 2.3.1. Materiales
o 2 probetas de 250 mL.
o 10 vasos de Precipitación de 250 mL.
o 2 vasos de precipitación de 500 mL.
o 1 mortero con pilón o 2 pipetas de 10 mL.
o 1 propipeta o 1 piceta
o 8 fiolas de 100 mL o 2 mascarillas o 8 embudos
o 3 guantes de látex o 10 papel filtro o 1 guardapolvo
o Tamiz de acero inoxidable de malla #45 de acuerdo norma ASTM o 1 balde de 5 L
2.3.2. Reactivos
o 3 kg de cáscara de café o Agua destilada
o H3PO4 al 85 % J.T Baker o Cloruro de sodio
o Carbonato de sodio o Hidróxido de sodio o Peróxido de oxigeno
o 10 g de colorante Rojo reactivo 3BS
2.3.3. Equipos
o 08 agitadores magnéticos o 02 balanza analítica o 02 pH metro o 01 mufla
o 01 molino casero o 01 evaporador rotatorio o 01 estufa
o Espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) o Absorción atómica
2.4. Metodología experimental
2.4.1. Obtención del material adsorbente (Cáscara de café)
• Se recolectó una cantidad de 3 Kg de cáscara de café del mercado “Modelo”- Huancayo.
• Se lavó con agua destilada para eliminar algunos residuos y contaminación del material.
• Después del lavado, las muestras fueron secadas en un secador de bandejas a una temperatura de 100 °C.
• Las muestras de cáscara de café fueron trituradas, usando para ello un molino convencional.
• Finalmente, para la homogenización de partículas, la muestra fue tamizada, usando para ello un tamiz de acero inoxidable ASTM-E11 N°45 que presentó un diámetro de 0,354 mm.
2.4.2. Proceso de adsorción con el agente activante (H3PO4) A) Preparación del agente activante
Para el proceso de adsorción de las muestras de cáscara de café ya tamizadas, se utilizó una solución de ácido fosfórico a una concentración del 40 %. Se preparó entonces una solución de 100 mL de H3PO4 al 40 % a partir del H3PO4
J.T Baker que tiene una concentración de 85 %, usando la siguiente fórmula:
C1× V1 = C2× V2 Dónde:
C1= concentración del H3PO4 en (%)
V1= volumen que se sacó del frasco de 85 % en (mL) C2= concentraciones que se halló (%)
V2= volumen que se preparó (mL)
Reemplazando valores para la preparación de 100 mL de H3PO4 al 40 %:
85 % × V1 = 40 % × 0,1 L V1 = 0,0470 L = 47,06 mL
Entonces se sacó 47,06 mL del frasco que contenía H3PO4 al 85 % y se transfirió a una fiola, aforándola a 100 mL con agua destilada.
B) Adsorción del agente activante (H3PO4)
• En el proceso de adsorción con la cáscara de café, según la investigación de Hidalgo Segovia y Rivera Garces, (2017) (quienes activaron el bagazo de café con ácido fosfórico al 20 % en relación 200 mL por cada 100 g de material, esta mezcla se secó a 150 °C durante 3 h) se usó dos concentraciones diferentes que fueron al 50 % (50 g de cáscara de café en 100 mL de agente activante al 40 %) y 60 % (60 g de cáscara de café en 100 mL de agente activante al 40 %) de acuerdo al diseño experimental. Se vertió entonces las cantidades indicadas de cáscara de café en vasos precipitados de 250 mL de capacidad y seguidamente se añadió 100 mL de solución de ácido fosfórico al 40 %.
• Se llevó las muestras a agitación por un periodo de 3 horas a una temperatura de 85 °C (Rojas-Morales, Gutiérrez-González, y Colina-Andrade, 2016).
• Se filtró las muestras adsorbidas y se llevó a la estufa a una temperatura de 85 °C hasta eliminar los restos de agua.
2.4.3. Proceso de activación química del carbón elaborado a partir de la cáscara del café
El procedimiento para la activación química estuvo basado en (Cristopher y Valencia, 2012).
Para el proceso de activación química, se usó un horno horizontal casero, en donde se colocó la muestra ya impregnada y seca. Las temperaturas de carbonización fueron de 400 °C y 550 °C durante los periodos de 1 h y 2 h de acuerdo al diseño experimental.
Se lavó las muestras de carbón con abundante agua destilada hasta lograr un pH entre un rango de 6,5 a 7.
Se colocó las muestras de carbón activado en un estufa para el secado a una temperatura de 80 °C por un periodo de 24 h (Cristopher y Valencia, 2012).
Finalmente, con ayuda de un mortero y pilón, las muestras de carbón fueron trituradas y almacenadas para su posterior uso y caracterización.
2.4.4. Caracterización del carbón activado elaborado a partir de la cáscara de café
Para la determinación de los grupos funcionales presentes en el carbón activado elaborado a partir de la cáscara del café, se sometió la muestra a un análisis de espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) entre un rango espectral entre 4000 cm-1 y 400 cm-1 (Asimbaya, Rosas, Endara, y Guerrero, 2015).
2.4.5. Capacidad de adsorción del carbón activado de cáscara de café
• La capacidad de adsorción del carbón activado se determinó mediante una muestra residual textil sintética con concentraciones de colorantes.
A) Preparación de la muestra sintética de industria textil
Se preparó una solución de muestra de agua sintética de industria textil con los componentes que caracterizan a estas aguas, para ello se tomó como referencia a (Garay, M., Tinoco, 2016).
Se usó un vaso de precipitado de 1 L de capacidad para la preparación de la muestra de agua sintética, en donde se mezcló: colorante Rojo reactivo 3BS, NaCl, Na2CO3, NaOH, H2O2, de esta manera se obtuvo el agua sintética de industria textil.
Las cantidades que se utilizó de cada componente, se detallan a continuación.
• Concentración y cantidad de colorante
Se usó el colorante Rojo reactivo 3BS, a una concentración de 25 mg/L.
Entonces para preparar 1 L de muestra sintética, se pesó 25 mg del colorante y se agregó al vaso de precipitado con agua destilada (Anvari, Kheirkhah, y Amraei, 2014). Seguidamente se añadió 1 L de agua destilada y se homogenizó la muestra.
• Concentración y cantidad de Cloruro de sodio (NaCl)
La concentración fue de 5 g/L, para ello se pesó 5 g y se agregó al vaso de precipitado de 1 L de agua coloreada.
• Concentración y cantidad de Carbonato de sodio (Na2CO3)
La concentración fue de 0,8 g/L, para ello se pesó 0,8 g de Na2CO3 y se agregó al vaso de precipitado (1 L) con agua de color.
• Concentración y dosis de hidróxido de sodio (NaOH)
Se preparó una solución de hidróxido de sodio al 5 % y se agregó una cantidad de 0,4 mL a la solución ya preparada coloreada.
• Concentración y dosis de peróxido de oxígeno (H2O2)
La concentración del H2O2 fue de 0,7 mM (0,8 mL/L), se agregó 0,8 mL al vaso de precipitado de 1 L de agua coloreada.
Masa molar H2O2: 34,0147 g/mol 𝑚H2O2=34,0147 g
1 𝑚𝑜𝑙 𝑥 0,0007 𝑚𝑜𝑙 𝑚H2O2= 0,024 𝑔
Por dato del envase de H2O2 se sabe que:
En 100 mL de solución hay 3,00 g de H2O2, por tanto:
𝑣H2O2= 100 mL
3 𝑔 𝑥 0,024 𝑔 𝑣H2O2= 0,8 𝑚𝐿
B) Proceso de adsorción del colorante
• Para cada experimento se cogió un vaso de precipitado con 50 mL de solución colorante (25 mg/L), el pH se ajustó de 6 a 8.
• Se agregó 0,2 g de carbones activados obtenidos a diferentes condiciones a los vasos de precipitados con solución colorante, y fueron agitados a 250 rpm.
• Finalmente se filtró las soluciones y se tomó alícuotas representativas para los análisis respectivos.
Figura 8. Diagrama de procesos del desarrollo experimental
Figura 9. Esquema de diseño experimental
3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 3.1. Tratamiento de datos
El agua sintética de textilería preparado para probar la efectividad de los carbones activados de cáscara de café presento una concentración inicial de rojo reactivo 3BS de 25 mg/L, valor considerado como la concentración inicial del colorante.
3.1.1. Determinación de la longitud de onda del colorante
La muestra de agua sintética fue analizada por Espectroscopia ultravioleta visible (UV-VIS) en la Universidad Nacional del Centro del Perú tal como se observa en el anexo C-1 y en la figura 10.
Figura 10. Espectro de ultravioleta visible del rojo reactivo 3BS Fuente: Elaboración Propia
Asimismo, en la figura 1 se observa que la longitud de onda de 491 nm del colorante rojo reactivo 3BS registra una mayor absorbancia de luz de 0,358, conociendo esta longitud de onda y mediante el espectrofotómetro de UV-VIS
se determinó la absorbancia de 6 soluciones con diferentes concentraciones de rojo reactivo 3BS que variaron desde 1 mg/L hasta 25 mg/L, dichos resultados son presentados en la tabla 3.
Tabla 3: Concentraciones del colorante rojo reactivo 3BS con su respectiva absorbancia
Concentración Absorbancias
1 mg/L 0,015
5 mg/L 0,073
10 mg/L 0,149
15 mg/L 0,246
20 mg/L 0,311
25 mg/L 0,375
Fuente: Elaboración Propia
Los valores de la tabla 3 fueron utilizados para construir una curva de calibración presentado en la figura 11 y en el anexo C-2.
Figura 11. Curva de calibración para el colorante rojo reactivo 3BS Fuente: Elaboración Propia
La curva de calibración presentada en la figura 11 ayudó a determinar la relación de la concentración del colorante reactivo 3BS con la absorbancia lecturada en el espectrofotómetro, dicha relación es presentada a continuación:
Concentración = 65,04 * absorbancia (1)
Utilizando la ecuación 1 se determinó cual fue la concentración de las diferentes aguas sintéticas de textilería tratadas en el laboratorio utilizando el carbón activado de cáscara de café.
3.1.2. Concentración final del colorante después del tratamiento con carbón activado.
El adsorbente utilizado en el tratamiento del agua sintética de textilería fue preparado variando la concentración del ácido fosfórico en relación a su impregnación con la cáscara de café, la temperatura y el tiempo de carbonización tal como se muestra en la tabla 4.
Tabla 4: Concentración del ácido fosfórico y tiempo y temperatura de carbonización de los carbones activados de cascarilla de café utilizados en cada tratamiento
Tratamiento Concentración de H3PO4
Tiempo de carbonizació
n
Temperatura de carbonización
1 60 % 2 horas 400 °C
2 50 % 2 horas 400 °C
3 60 % 2 horas 550 °C
4 60 % 1 hora 550 °C
5 50 % 2 horas 550 °C
6 60 % 1 hora 400 °C
7 50 % 1 hora 550 °C
8 50 % 1 hora 400 °C
Fuente: Elaboración Propia
Tal como se observa en la tabla 4, en cada tratamiento del agua sintética se utilizó un carbón activado con características específicas, este ayudó a determinar los procedimientos para la preparación de carbón activado de cascarilla de café que presente una mayor eficiencia en el proceso de adsorción de colorante.
El agua sintética de textilería tratada con carbón activados de cáscara de café fue analizada mediante la espectroscopia ultravioleta visible en la UNCP, esta técnica analítica determinó las absorbancias que presentó cada una de las
soluciones acuosas y aplicando la ecuación 1 se halló la concentración final del colorante rojo reactivo 3BS, estas absorbancias con sus determinadas concentraciones son presentadas en la tabla 5 y en los informes de ensayo N°
124-2019 y 129-2019 en el anexo C-3.
Tabla 5: Absorbancias y concentraciones del agua sintética de textilería después del tratamiento con carbón activado de cáscara de café
Tratamiento
Réplica 1 Réplica 2 Réplica 3 Ads Conc.
(mg/L) Ads Conc.
(mg/L) Ads Conc.
(mg/L) 1 0,161 10,47 0,163 10,60 0,16 10,40 2 0,155 10,08 0,153 9,95 0,154 10,01 3 0,132 8,58 0,133 8,65 0,135 8,78 4 0,064 4,16 0,062 4,03 0,061 3,97 5 0,009 0,50 0,009 0,59 0,008 0,52 6 0,011 0,71 0,013 0,85 0,012 0,78 7 0,012 0,78 0,012 0,78 0,011 0,72
8 0,01 0,65 0,01 0,65 0,01 0,65
Fuente: Elaboración Propia
Tal como se observa en la tabla 5 la concentración del colorante rojo reactivo presente en el agua sintética de textilería disminuyó en cada tratamiento respecto de su concentración inicial, se advierte que en el primer tratamiento en el cual se aplicó carbón activado preparado con una concentración de H3PO4
al 60 % y carbonizado a 400 °C durante 2 horas la absorbancia registrada osciló entre 0,161 por ende la concentración del colorante rojo reactivo disminuyó desde 25 mg/L a 10, 47 mg/L, 10,60 mg/L y 10,40 mg/L en la réplica 1, 2 y 3 respectivamente, en el primer tratamiento las concentraciones finales de colorante fueron mayores seguido del segundo tratamiento en el cual al utilizar un carbón activado con una concentración de de H3PO4 al 50 % y carbonizado a 400 °C durante 2 horas la concentración final del colorante rojo reactivo fue de 10,08 mg/L en la réplica 1, 9,95 mg/L en la réplica 2 y 10,01 mg/L en la réplica 3, en contraste en el tratamiento 5, en el cual se utilizó carbón activado con una concentración de H3PO4 al 50 % y carbonizado a 550 °C durante 2 horas, se advierte que el agua sintética de textilería presentó una menor absorbancia de 0,008 lo cual indicó que la concentración del colorante rojo reactivo fue de 0,50 mg/L, 0,59 mg/L y 0,52 mg/L en la réplica 1, 2 y 3 respectivamente.
