UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ - UNCP

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA

EVALUACIÓN DE LA BIOADSORCIÓN DE Cr (VI) DE UNA SOLUCIÓN ACUOSA UTILIZANDO GRANOS DE CAFÉ

DESGASTADOS

Tesis Presentado por:

HUANCAYO - PERÚ 2023

Bach. HUALLULLO CRISOSTOMO, Royer Bach. HURTADO CRISTOBAL, Antony Martín

Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico Ambiental

INFORME N° 013-2022-AMMM-FIQ-UNCP

A : Dr. DEMETRIO ALIPIO SALAZAR MAURICIO Decano de la Facultad de Ingeniería Química

DE : Dr. ARTURO MISAEL MELGAR MERINO

Docente Asesor de Tesis – Facultad de Ingeniería Química – UNCP ASUNTO : REPORTE DE SIMILITUD DE CONTENIDO (TURNITIN)

FECHA : Huancayo, 18 de noviembre de 2022

Mediante el presente me dirijo a usted para saludarle y la vez hacer de su conocimiento, que después de haber procedido a la verificación de similitud con el TURNITIN en cumplimiento a la Ley Universitaria N° 30220, Estatuto de la UNCP, Reglamento de investigación y la Resolución N° 2064-CU-2017 del Código de Ética de Investigación de la UNCP, el resultado fue el siguiente:

TÍTULO DE TESIS TESISTA RESULTADO DE SIMILITUD

“EVALUACIÓN DE LA BIOADSORCIÓN DE Cr (VI) DE UNA SOLUCIÓN ACUOSA UTILIZANDO GRANOS DE CAFÉ DESGASTADOS”

• HURTADO CRISTOBAL, ANTONY MARTÍN

• HULLULLO CRISOSTOMO, ROYER 19 %

Lo cual se informa a usted para los fines correspondientes. En consecuencia, recomiendo que los (las) tesistas continúen con sus trámites correspondientes.

Agradeciendo su atención especial al presente me despido reiterándole mi estima personal.

Atentamente.,

____________________________

Dr. ARTURO MISAEL MELGAR MERINO DOCENTE - ASESOR

cc. Archivo.

19 %

INDICE DE SIMILITUD

18 %

FUENTES DE INTERNET

2 %

PUBLICACIONES

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TRABAJOS DEL ESTUDIANTE

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8

EVALUACIÓN DE LA BIOADSORCIÓN DE Cr (VI) DE UNA SOLUCIÓN ACUOSA UTILIZANDO GRANOS DE CAFÉ DESGASTADOS

INFORME DE ORIGINALIDAD

FUENTES PRIMARIAS

Submitted to Universidad Nacional del Centro del Peru

Trabajo del estudiante

eprints.uanl.mx

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hdl.handle.net

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tesis.ucsm.edu.pe

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dspace.ucuenca.edu.ec

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repositorio.uncp.edu.pe

Fuente de Internet

Submitted to Fundacion Universidad de America

Trabajo del estudiante

repositorio.unal.edu.co

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Fuente de Internet

sqm.org.mx

Fuente de Internet

es.scribd.com

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Submitted to Universidad Católica de Santa María

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repositorio.unh.edu.pe

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repositorio.ucundinamarca.edu.co

Fuente de Internet

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Submitted to Universitat Politècnica de València

Trabajo del estudiante

idoc.pub

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Submitted to Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga

Trabajo del estudiante

www.researchgate.net

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repositorio.espe.edu.ec

Fuente de Internet

Submitted to Escuela Politecnica Nacional

Trabajo del estudiante

Submitted to Universidad San Ignacio de Loyola

Trabajo del estudiante

ri-ng.uaq.mx

Fuente de Internet

www.fda.gov

Fuente de Internet

Jonathan M. Sanchez-Silva, Ramsés R.

González-Estrada, Francisco J. Blancas- Benítez, Ángel Fonseca-Cantabrana.

"Subproducto de nanche (Byrsonima

29 < 1 %

30 < 1 %

31 < 1 %

Excluir citas Activo Excluir bibliografía Activo

Excluir coincidencias < 15 words

crassifolia): alternativa para la biosorción del cromo hexavalente", TIP Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas, 2022

Publicación

1library.co

Fuente de Internet

stutzartists.org

Fuente de Internet

es-us.finanzas.yahoo.com

Fuente de Internet

ii TÍTULO

EVALUACIÓN DE LA BIOADSORCIÓN DE Cr (VI) DE UNA SOLUCIÓN ACUOSA UTILIZANDO GRANOS DE

CAFÉ DESGASTADOS

iii NOMBRE DEL ASESOR

Ms. Arturo Misael Melgar Merino

iv DEDICATORIA

Dedico de lo más profundo de mi corazón esta tesis a mi madre, por ser la persona que más cree en mí, pues todo lo que soy y todo lo que espero se lo debo a mi madre.

Antony

Dedico este trabajo a mis abuelos que con mucho esfuerzo y dedicación me apoyaron durante mi etapa universitaria hasta la culminación de la misma.

Royer

v AGRADECIMIENTO

A Dios, por poner en nuestro camino a personas que contribuyeron en el desarrollo de la presente tesis, ya que sin su ayuda no hubiera sido posible llegar a concluir.

Al Ing. Arturo Melgar Merino, asesor de nuestro trabajo quien ha conducido y orientado de la mejor manera en el desarrollo de la presente tesis.

Los tesistas

vi RESUMEN

El presente trabajo titulado “Evaluación de la bioadsorción de Cr (VI) de una solución acuosa utilizando granos de café desgastados” tiene por objetivo determinar los parámetros de operación adecuados en la bioadsorción de los iones Cr (VI) contenidos en soluciones acuosas utilizando como biosorbente los granos de café desgastados, la investigación tuvo una metodología empírico analítica con un diseño factorial del tipo 2³, estudiando las variables de concentración, pH y tiempo de mezcla; los resultados obtenidos demostraron una concentración de Cr(VI) inicial de 319,60 mg/L, al analizar el efecto individual de las variables se obtuvo que 1 g/L de bioadsorbente logró un porcentaje de bioadsorción de iones de Cr (VI) de 47,17 % mientras que la concentración de 5 g/L logró un porcentaje de bioadsorción de Cr(VI) de 36,17 %; un pH de 3 logro un porcentaje de bioadsorción de iones de Cr (VI) de 40,04 % mientras que un pH de 9 logró un porcentaje de bioadsorción de Cr(VI) de 43,30 % y un tiempo de mezcla de 60 min logra un porcentaje de bioadsorción de iones de Cr (VI) de 37,86 %, mientras que el tiempo de 180 min alcanza solo un 45,48 % de bioadsorción de iones de Cr(VI), al analizar el efecto de las tres variables se logró un máximo porcentaje de bioadsorción de 61,45 % a una concentración de biosorbente a base de granos de café desgastados de 1 g/L, tiempo de mezcla de 180 min y pH de la solución acuosa de 3.

Palabras clave: granos desgastados de café, bioadsorción, pH, tiempo, concentración.

vii INTRODUCCIÓN

El cromo liberado al medio ambiente a partir de la actividad antropogénica se presenta principalmente en forma hexavalente Cr (VI). El cromo hexavalente Cr (VI) es un contaminante industrial tóxico que está clasificado como carcinógeno humano por varias agencias reguladoras y no reguladoras. El peligro para la salud asociado con la exposición al cromo depende de su estado de oxidación, que va desde la baja toxicidad de la forma metálica hasta la alta toxicidad de la forma hexavalente (Tchounwou et al., 2012).

El constante crecimiento industrial en la región Junín no lo excluyen de la problemática ambiental de los metales pesados en las fuentes de agua; principalmente del Cr (VI), en vista de que la región contara con un centro de innovación productiva y transferencia tecnológica que se ubicara en el distrito de San Pedro de Saño, la misma contara con un área de procesos de curtiembre; proceso que genera efluentes con altas concentraciones de cromo, debido a que se usa el sulfato básico de cromo trivalente (Cr2O3) como agente de curtido; las descargas de efluentes de curtido contiene cromo en forma de Cr (III), sin embargo, su toxicidad se incrementa al ser emitido a las alcantarillas oxidándose a Cr (VI) (ITP, 2019).

Para solucionar el problema ambiental del cromo en los efluentes en las empresas de curtido de pieles se viene aplicando tratamientos como intercambio iónico, precipitación, filtración, evaporación y electrocoagulación, sin embargo estos tratamientos producen lodos que contienen elementos tóxicos, siendo difícil y costosa su disposición final según Fabián et al., (2009). Es por esta razón que la comunidad científica ha investigado nuevos tratamientos, de bajo costo, efectivos y amigables con el medio ambiente (Anastopoulos et al., 2017).

En la presente investigación se estudia los parámetros de operación adecuados en la bioadsorción de los iones Cr (VI) contenidos en soluciones acuosas utilizando como bioadsorbente los granos de café desgastados.

El presente trabajo se divide en tres secciones, la primera sección describe la revisión bibliográfica que abarca los antecedentes, marco teórico y conceptual; la segunda sección describe la parte experimental, listando los materiales, reactivos y equipos, además describiendo paso a paso el desarrollo experimental. Finalmente, en la tercera sección se describen los resultados obtenidos, la prueba de hipótesis y la discusión de resultados.

viii OBJETIVOS

Objetivo general:

Determinar los parámetros de operación adecuados en la bioadsorción de los iones Cr (VI) contenidos en soluciones acuosas utilizando como bioadsorbente los granos de café desgastados.

Objetivos específicos:

 Determinar la concentración apropiada del bioadsorbente a base de granos de café desgastados en la bioadsorción de iones de Cr (VI) de soluciones acuosas.

 Establecer el pH conveniente de la solución acuosa para la bioadsorción de iones de Cr (VI) utilizando granos de café desgastados.

 Determinar el tiempo de mezcla debido para la bioadsorción de iones de Cr (VI) de soluciones acuosas utilizando granos de café desgastados.

 Calcular el rendimiento de la bioadsorción de Cr (VI) utilizando como bioadsorbente los granos de café desgastados.

ix SIMBOLOGIA UTILIZADA

pH : Potencial de hidrogeno

DBO : Demanda bioquímica de oxigeno DQO : Demanda química de oxigeno ppm : partes por millón

V : volumen

m : masa de adsorbente

Co : concentración de contaminante inicial Ce : concentración de contaminante en equilibrio Qe : cantidad de adsorción en el equilibrio KF : constante de Freundlich

n : medida de la intensidad de bioadsorción qm : capacidad máxima de adsorción

ka : constante del modelo de Langmuir

x INDICE DE CONTENIDO

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTO v

RESUMEN vi

INTRODUCCIÓN vii

OBJETIVOS viii

SIMBOLOGIA UTILIZADA ix

INDICE DE CONTENIDO x

ÍNDICE DE TABLAS xiii

ÍNDICE DE FIGURAS xiv

CAPÍTULO I 15

1. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 15

1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN 15

1.2. MARCO TEÓRICO 19

1.2.1. Industria del cuero y aguas residuales 19

1.2.2. Adsorción 20

1.2.3. Bioadsorción 21

1.2.4. Bioadsorción de metales pesados 22

1.2.5. Mecanismos de bioadsorción 23

1.2.6. Factores que afectan la bioadsorción 25

1.2.7. Equilibrio de bioadsorción 26

1.2.8. Biomasa de café 29

1.3. MARCO CONCEPTUAL 30

CAPÍTULO II 31

2. PARTE EXPERIMENTAL 31

2.1. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 31

2.1.1. Materiales 31

xi

2.1.2. Equipos 31

2.1.3. Reactivos 31

2.2. VARIABLES 32

2.2.1. Variable dependiente 32

2.2.2. Variables independientes 32

2.3. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN 32

2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 33

2.4.1. Preparación de la solución acuosa de Cr(VI) 33

2.4.2. Preparación del bioadsorbente 33

2.4.3. Experimentos de bioadsorción 34

2.4.4. Proceso de evaluación de la bioadsorción 35

CAPÍTULO IV 36

3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 36

3.1. Resultados 36

3.1.1. Resultados de los ensayos de bioadsorción de Cr(VI) 36 3.1.2. Porcentaje de bioadsorción de Cr(VI) después del tratamiento con

granos de café desgastados 39

3.2. Prueba de hipótesis 41

3.2.1. Prueba de normalidad 41

3.2.2. Análisis de varianza 42

3.2.3. Contrastación de hipótesis 44

3.3. Discusión de resultados 47

3.3.1. Efecto de la concentración del bioadsorbente a base de granos

desgastados de café sobre el porcentaje de bioadsorción de Cr(VI) 47 3.3.2. Efecto del pH sobre el porcentaje de bioadsorción de Cr(VI) 49 3.3.3. Efecto del tiempo de mezcla sobre el porcentaje de bioadsorción de

Cr(VI) 51

xii 3.3.4. Eficiencia de la bioadsorción de Cr (VI) utilizando como biosorbente

los granos de café desgastados 53

CONCLUSIONES 55

RECOMENDACIONES 56

BIBLIOGRAFÍA 57

ANEXOS 61

xiii ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Niveles de cada factor para el método de diseño factorial 32

Tabla 2: Esquema del diseño factorial 2³ 32

Tabla 3: Concentración de Cr(VI) después del tratamiento con granos de café

desgastados en la réplica I 36

Tabla 4: Concentración de Cr(VI) después del tratamiento con granos de café

desgastados en la réplica II 37

Tabla 5: Concentración de Cr(VI) después del tratamiento con granos de café

desgastados en la réplica III 37

Tabla 6: Concentración promedio de Cr(VI) después del tratamiento con granos de

café desgastados 38

Tabla 7: Porcentaje de bioadsorción de Cr (VI) de soluciones acuosas utilizando

granos de café desgastados como bioadsorbente 40

Tabla 8: Análisis de varianza para el ensayo de bioadsorción de Cr(VI) con granos

de café desgastados 43

Tabla 9: Prueba de t de Student 47

xiv ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Diagrama simplificado de la naturaleza compleja del mecanismo de

bioadsorción 24

Figura 2: Flujograma del proceso experimental de la bioadsorción de Cr(VI) con

granos de café desgastados 35

Figura 3: Biosorción de Cr(VI) con granos de café desgastados en función de tiempo

de mezcla, pH y concentración 39

Figura 4: Porcentaje de bioadsorción de Cr(VI) con granos de café desgastados en

función de tiempo de mezcla, pH y concentración 40

Figura 5: Gráfica de normalidad para el ensayo de bioadsorción de Cr(VI) de una

solución acuosa 42

Figura 6: Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el ensayo de

bioadsorción de Cr(VI) de una solución acuosa 44

Figura 7: Gráfica de efectos principales para el ensayo de bioadsorción de Cr(VI) de

una solución acuosa 45

Figura 8: Gráfica de superficie de % bioadsorción de Cr(VI) vs pH y concentración 47 Figura 9: Gráfica de interacción para la variable de concentración del bioadsorbente

a base de granos de café desgastados 48

Figura 10: Gráfica de superficie de % bioadsorción de Cr(VI) vs pH y tiempo de

mezcla 49

Figura 11: Gráfica de interacción para la variable de pH de la solución acuosa 50

Figura 12: Diagrama de Pourbaix del Cr(VI) 51

Figura 13: Gráfica de superficie de % bioadsorción de Cr(VI) vs concentración y

tiempo de mezcla 52

Figura 14: Gráfica de interacción para la variable de tiempo de mezcla 53 Figura 15: Gráfica de cubos para la eficiencia de bioadsorción de Cr(VI) 54

15 CAPÍTULO I

1. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA

El objetivo de este capítulo es realizar una revisión del estado del arte de los últimos años aproximadamente de la tecnología de biosorción de cromo (VI), empleando los granos de café desgastados.

1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

Demir Delil et al., (2019) investigaron la eficacia del uso de posos de café turco usados como adsorbente en el tratamiento de agua contaminada con iones de cadmio (Cd) mediante adsorción; encontraron que la cantidad óptima de adsorbente, la concentración inicial de Cd (II) y el pH fueron 3,63 g/L, 67,97 mg/L y pH 8,87; mientras que la capacidad de adsorción más alta en condiciones óptimas fue de 1,32 mg/g, la eficiencia de eliminación de Cd (II) fue del 96 % y se alcanzó el equilibrio en un período corto de 60 min; la adsorción de iones Cd (II) aumentó a medida que aumentaba el pH, el comportamiento de adsorción de Cd (II) se investigó con los modelos de Langmuir y Freundlich, y se determinó que los datos experimentales fueran compatibles con la isoterma de Langmuir (R2

= 0,9996); además, el modelo de pseudo-segundo orden describió la cinética de adsorción de los iones Cd (II) en los posos del café de la mejor manera.

Bardi y Tawde, (2020); evaluaron el potencial de adsorción de los posos de café usados como adsorbente para la eliminación de Cr (VI) de una solución acuosa;

estudiaron la adsorción en función del tiempo de contacto (0 min a 360 min), concentración inicial (0 mg/L a 500 mg/L), dosis de adsorbente (0 mg/L a 70 mg/L) y pH (3 a 9) por método discontinuo; los datos de adsorción en equilibrio fueron bien descritos por el modelo de Freundlich; el porcentaje de eliminación de cromo en solución acuosa aumenta con un aumento en la dosis de adsorbente en caso de desperdicio de café usado; el aumento de la concentración inicial de cromo da como resultado una disminución en el porcentaje de eliminación de cromo; los residuos de café muestran una mayor eliminación a pH muy alto o muy bajo, mientras que el tiempo de agitación en equilibrio para la adsorción de cromo utilizando residuos de café gastado y como adsorbentes es de 180 minutos.

16 Tandigau et al., (2018) utilizaron la piel del fruto del café arábica como adsorbente en el proceso de biosorción para la eliminación de iones metálicos Ni (II) de las aguas residuales; la biosorción de iones metálicos Ni (II) por la piel del café Arábica se llevó a cabo con variaciones en el tamaño de partícula (60 mesh a 150 mesh), tiempo de contacto (10 min a 90 min), pH (2 a 7) y concentración (50 mg/L a 300 mg/L); los resultados mostraron que el tiempo óptimo obtenido fue de 50 minutos y el pH óptimo fue de 6 usando un tamaño de partícula de 120 mesh; a partir de los resultados de este estudio, se encontró que la biosorción de iones metálicos Ni (II) utilizando piel de fruto de café arábica estaba de acuerdo con el modelo isotérmico de Langmuir con un valor de capacidad de biosorción de 18,86 mg/g.

En la investigación de Obaya ValdVIia et al., (2020) presentaron la producción de carbón activado mediante la activación fisicoquímica de residuos de café mediante calcinación a 900 °C y posterior activación con ácido sulfúrico, así como el diseño de Box-Behnken de tres factores para el mejoramiento de la adsorción de cromo (III); determinaron que las condiciones óptimas para realizar la adsorción fueron pH de 3 y un tiempo de contacto de 140 min; según el análisis de varianza para el diseño experimental, se determinó que la formación inicial de cromo no fue significativa para el proceso de adsorción; bajo las condiciones óptimas de adsorción del 96 %, le dieron una aplicación al borrado de café para la producción de carbón activado, que sirve como agente adsorbente aplicado para la remoción de cromo (III) acuoso; el área de carbón activado obtenido fue 13657,89 m²/g ± 251,09 m²/g determinada por el método de isoterma de adsorción de ácido acético.

Gómez Aguilar et al., (2019) utilizaron la pulpa de café (variedad Castilla) del municipio de Caldas (Colombia) para la remoción de una de las especies químicas más tóxicas del cromo: Cr (VI); por tanto, el residuo agrícola se sometió a una caracterización bromatológica, determinación de la composición lignocelulósica y elucidación de grupos funcionales orgánicos característicos mediante espectrofotometría IR; adicionalmente, identificaron los parámetros óptimos para la remoción de contaminantes, en cuanto a tamaño de partícula (0,180 mm), cantidad de biomasa (0,50 g), pH (2), tiempo de agitación (105 min), potencial de carga cero (3,95) y temperatura (18 °C) con los cuales alcanzaron una eficiencia

17 de adsorción de 87,94 %, respecto a la cinética de adsorción de Cr (VI) siguió el modelo cinético de pseudo segundo orden de Ho y McKay; además la eliminación de Cr(VI) siguió el modelo linealizado de Langmuir, según la capacidad máxima de adsorción dedujeron que 13,48 mg de Cr (VI) se adsorbió por cada gramo de adsorbente.

Liu et al., (2016) propusieron un tratamiento de aguas residuales de galvanoplastia basado en biosorción seguido de floculación/precipitación; llevaron a cabo la biosorción utilizando café agotado que ha demostrado ser un absorbente de iones metálicos eficiente y de bajo costo y agente reductor de cromo hexavalente en nuestros trabajos anteriores, después de la biosorción, la concentración de Cr (VI) en el efluente alcanzó el límite de regulación de descarga de la planta de tratamiento de aguas residuales para el cromo hexavalente (0,5 mg/L); la adición de una concentración adecuada de coagulante/floculante dio como resultado la precipitación de cromo trivalente residual y otros iones metálicos; los altos coeficientes de correlación entre Cr (VI) y Cr (III) y los valores de conductividad y pH medidos durante el proceso de biosorción destacaron el posible uso de estos dos parámetros para monitorear el proceso.

Wu et al., (2016) utilizaron residuos de desecho de café (WCR) para eliminar metales pesados (Cu²⁺, Pb²⁺ y Zn²⁺) de soluciones acuosas; analizaron las características de la superficie de las WCR mediante microscopía electrónica de barrido, análisis de área de superficie específica, análisis de potencial zeta y espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier; el área de superficie específica, el diámetro medio de los poros y el pHpzc de las WCR fueron de 0,19 m²/g, 14 nm y 3,5 respectivamente; el porcentaje de Cu²⁺ que se eliminó de una solución aumentó a medida que aumentaba el pH y la dosis de WCR, pero disminuyó a medida que aumentaba la concentración de Cu²⁺; la cinética de adsorción y el equilibrio se ajustaron a los modelos de pseudo-segundo orden y de Langmuir, respectivamente; a pH 5 y 25 °C, las capacidades máximas de adsorción de las WCR para Cu²⁺, Pb²⁺ y Zn²⁺ fueron 8,2 mg/g, 27,6 mg/g y 8,0 mg/g, respectivamente; los valores de ΔH⁰ para la adsorción de Cu²⁺, Pb²⁺ y Zn²⁺

en WCR fueron 9,73 kJ/mol, 13,77 kJ/mol y 9,15 kJ/mol, respectivamente, y los

18 valores de ΔS⁰ correspondientes fueron 109,4 J/mol/K, 127,0 J/mol/K y 96,6 J/mol/K.

Moelyaningrum et al., (2018) analizaron los residuos de granos de café robusta para adsorber el Pb en el agua; utilizó un método de diseño completamente aleatorio, con un grupo de control (C) y tres grupos de tratamiento (T1; T2; T3; 5 g/L; 8 g/L; 10 g/L respectivamente) con seis repeticiones; los residuos de molido de café robusta se pusieron en contacto durante 2 horas; el análisis del Pb se realizó con Análisis de Espectrofotometría de adsorción atómica; los resultados mostraron que se alcanzó una máxima remoción de Pb de 48,58 % en el tratamiento 2, además de acuerdo a la prueba ANOVA unidireccional; Turkey post Hoc mostraron que existió una diferencia significativa entre el control y el tratamiento (F = 4,326 y Sig = 0,017); asimismo existió una diferencia significativa entre el control y el tratamiento 2 y 3 (Sig = 0,019; Sig = 0,038);

concluyeron que los residuos de granos de café robusta pueden reutilizarse para adsorber la contaminación de Pb en el agua.

Botello González, (2013) ha estudiado la eliminación de metales pesados utilizando residuos de café sólido modificados con ácido cítrico 0,6 M como adsorbente, la caracterización de los residuos de café modificados mostró un valor de pH a nivel de punto de carga cero de 2.97, la cuantificación de iones confirmó que el principal mecanismo de adsorción es el intercambio iónico de iones metálicos con los protones presentes en la superficie del adsorbente, los resultados mostraron que las capacidades de adsorción de Cu (II) y Pb (II) individualmente fueron 1,46 y 1,18 meq/g, y en una mezcla binaria fueron 1,36 y 1,21 meq/g, respectivamente, a pH 5 y 30 °C.

Dávila Guzmán, (2011) evalúo el potencial uso de los residuos sólidos de café pretratados (RSCT) en la remoción de metales pesados de soluciones acuosas, la elucidación del mecanismo de biosorción fue realizada mediante la determinación de la cantidad de iones Ca²⁺, Na⁺ , K⁺ , Mg²⁺ y H⁺ , liberados durante la biosorción de los metales pesados, la capacidad de biosorción en el equilibrio fue evaluada a condiciones ácidas (pH = 4,5), el mecanismo de biosorción de Cd (II), Cu (II) y Pb (II) fue propuesto como un intercambio iónico principalmente con los iones

19 Ca²⁺ y los protones (H⁺) presentes inicialmente en los RSCT. La capacidad de biosorción de Cd (II), Cu (II) y Pb (II) obtenida mediante RSCT en el equilibrio fue de 0,12, 0,24 y 0,32 mmol/g, respectivamente, por otra parte, el aumento en la concentración inicial de metal de 0,1 a 1 mM, produjo un aumento en la capacidad de biosorción de la biomasa del 160 %, 220 % y 330 % para Cd (II), Cu (II) y Pb (II), respectivamente.

Nuván Vargas y Rojas Nariño, (2019) efectuaron la evaluación de un coagulante a partir de residuos de café en muestras de agua natural, teniendo en cuenta parámetros iniciales y finales de (DQO), (DBO) y turbidez. Los datos de turbidez iniciales de la quebrada en temporadas de sequía y lluvia correspondieron a 3,86 y 367 NTU respectivamente, se ejecutó un diseño de experimentos 32, siendo la dosificación y pH los factores, con 3 niveles “1,99; 2,08; 3,77” y “2 mL; 2,4 mL;

3,5 mL” para cada uno, en el método de test de jarras se utilizó una dosificación del 131,1 mg de GAE/g de café en base seca y es aplicada en un rango de pH entre 1,99 – 3,77, se encontró que a un pH de 2,08 se da un porcentaje de remoción del 99,47 % y una actividad del coagulante de 99,42 %, la eficiencia de remoción de DQO y DBO5 corresponden a 89,28 %; 99,04 % respectivamente.

1.2. MARCO TEÓRICO

1.2.1. Industria del cuero y aguas residuales

En las curtidurías, las etapas de preparación de la piel (tratamiento de limpieza y acondicionamiento para el curtido), así como el transporte y fijación de las sustancias curtientes y modificantes en la estructura del colágeno se realizan en medio acuoso. La mayoría de las etapas de estos procesos se realizan con agua dulce, que se utiliza como vehículo para la difusión de productos químicos y la extracción de materiales indeseables de la piel. Las curtidurías pueden procesar el cuero/piel a través de todas las etapas y pasos de la producción de cuero o solo algunos de ellos. Entre las principales especificaciones para la identificación y caracterización del negocio de las curtidurías, existen dos requisitos: el tipo de materia prima (cuero, piel o piel) y la definición del sistema de curtido, que depende de la sustancia curtiente (naturaleza mineral u orgánica). Las curtidurías se

20 pueden clasificar, según las etapas de producción, en las siguientes categorías (Gutterres et al., 2015):

 Curtidurías completas, que parten de cuero crudo (verde o en conserva) para producir cueros terminados.

 Curtidurías Beamhouse, aquellas que parten del cuero crudo hasta el paso de curtido.

 Curtidurías de acabado húmedo y acabado, que parten del cuero (wet- blue) para producir corteza o cuero acabado.

Los efluentes de las curtidurías se caracterizan por la alta demanda biológica de oxígeno (DBO), alta demanda química de oxígeno (DQO) y altas concentraciones de sólidos en suspensión, nitrógeno orgánico, sulfuro y cromo. Actualmente, las corrientes acuosas de cada baño de un proceso de curtido se mezclan entre sí. en un tanque de compensación. Esta mezcla de muchos compuestos puede complicar el tratamiento de aguas residuales. Los ácidos, álcalis, sales de cromo, taninos (naturales o sintéticos), disolventes, sulfuros, colorantes, tensioactivos, auxiliares y muchos otros compuestos que se utilizan para transformar una piel en cuero, no están completamente fijados a las fibras de colágeno y a la superficie del producto, quedando así libre en el efluente. Además, para cada producto final, el proceso de curtido y los productos químicos utilizados son diferentes, y el tipo y la cantidad de desechos producidos pueden variar en un amplio rango. Además, se informaron variaciones que pueden ocurrir bajo las mismas condiciones operativas de fabricación.

debido a la calidad de los cueros/pieles en bruto procesados (Gutterres et al., 2015).

1.2.2. Adsorción

La adsorción es el proceso en el que una molécula, o ion, llamado adsorbato presente en una masa gaseosa o líquida se adhiere a la superficie de un sólido, rara vez líquido, llamado adsorbente. Es un proceso de superficie, es decir, solo está involucrada la superficie del adsorbente, y el adsorbato no se difunde en la estructura del adsorbente (en este caso, de hecho, el proceso se llama absorción). El proceso inverso, es decir, la caída

21 de una molécula de una superficie sólida, se llama desorción (Artioli, 2008).

Es posible definir dos tipos de adsorción: adsorción física (o fisisorción) cuando el adsorbato se adhiere a la superficie debido a fuerzas físicas, y adsorción química (o quimisorción) si el adsorbato está químicamente unido a la superficie del adsorbente (Artioli, 2008).

La fisisorción se produce gracias a las interacciones de Van der Waals:

estas son fuerzas de atracción debidas a interacciones electrostáticas débiles que se producen entre moléculas. Si las moléculas de adsorbato golpean la superficie con poca energía, esta se puede disipar en forma de calor mediante la vibración de la red del sólido; por tanto, pueden quedar atrapados en la superficie. Si las moléculas golpean la superficie con demasiada energía, el adsorbente no puede disiparla y rebotan (Artioli, 2008).

La quimisorción puede ser un proceso activado, es decir, requiere que el adsorbato tenga un mínimo de energía para poder ser absorbido. Esto depende de la presencia de una barrera energética entre el estado fisisorbido y quimisorbido (Figura 1): si esta barrera es más alta que la energía de las moléculas libres, entonces el adsorbato se unirá químicamente al adsorbente solo si tiene más energía que la barrera, de lo contrario será desorbida. En caso de que la barrera sea más baja que la energía de las moléculas libres, todas las moléculas fisisorbidas pueden formar rápidamente un enlace químico con la superficie adsorbente y la quimisorción ocurrirá rápidamente (Artioli, 2008).

1.2.3. Bioadsorción

La bioadsorción es un proceso fisicoquímico en el que la concentración de sorbato (metales pesados) se adsorbe en la bio-superficie. En general, esta superficie biológica no es biomasa viva. En consecuencia, es un mecanismo metabólicamente pasivo, un mecanismo rápido y reversible que une iones metálicos de soluciones acuosas a grupos funcionales (González et al., 2017).

Es un proceso complejo que depende de diferentes factores como la fisiología celular, factores fisicoquímicos como el pH, temperatura, tiempo de contacto, fuerza iónica y concentración de metales, química de los iones

22 metálicos, composición de la pared celular de los microorganismos (González et al., 2017).

A. Ventajas

A continuación, se dan las ventajas de la biosorción sobre los métodos convencionales de eliminación de metales (Shamim, 2018).

 Producción más barata de biomasa (bacterias u hongos).

 Utilización de biomasa para la eliminación de metales pesados.

 Absorción de múltiples metales pesados a la vez.

 Tratamiento de grandes volúmenes de aguas residuales.

 No se necesitan adiciones químicas ya que son altamente selectivas para la absorción y remoción de metales específicos.

 Funcional en una amplia gama de condiciones que incluyen temperatura, pH, presencia de iones de otros metales, etc.

 Desorción fácil y económica de metales adheridos a la biomasa.

 Reducción del volumen de producción de desechos o materiales tóxicos.

B. Desventajas

Las desventajas de la bioadsorción se indican a continuación (Shamim, 2018).

 Saturación de sitios activos de ligandos de unión a metales.

 Sorción reversible de metales en biomasa.

1.2.4. Bioadsorción de metales pesados

El proceso de bioadsorción utiliza materiales naturales de origen biológico que tienen la propiedad de secuestrar metales para reducir las concentraciones de iones de metales pesados de ppm a ppb. La bioadsorción de metales pesados es el proceso de eliminación fisicoquímica de iones pesados o sus compuestos de las aguas residuales mediante el uso de bioadsorbentes (Al-Qodah et al., 2017).

La interacción del adsorbato y bioadsorbente conduce a la acumulación de adsorbato en la interfase adsorbato-bioadsorbente. En consecuencia, la concentración de adsorbato en las aguas residuales disminuye hasta que se alcanza un equilibrio. La bioadsorción de metales pesados ha sido reconocida como una tecnología de tratamiento prometedora debido a su

23 alta eficiencia, la capacidad de utilizar bioadsorbentes selectivos para metales de interés específicos, la capacidad de eliminar pesados iones metálicos independientemente de su toxicidad, ausencia de producción de compuestos tóxicos secundarios y simplicidad. Sin embargo, la bioadsorción también tiene varias desventajas, como la saturación temprana de todos los sitios activos de los bioadsorbentes por los iones adsorbatos. Por lo tanto, se requiere la desorción de iones metálicos y la regeneración bioadsorbente para un uso posterior eficiente (Al-Qodah et al., 2017).

Generalmente, varios factores pueden afectar la capacidad de bioadsorción de cualquier adsorbato, como la presencia de carga eléctrica, los tipos de grupos funcionales, el tamaño de los poros, el área de superficie, el pH y la temperatura del medio de bioadsorción. Además, el proceso de selección de un bioadsorbente adecuado para cierto adsorbato es difícil ya que está influenciado por varios factores. Estos factores incluyen fácil disponibilidad, alta capacidad de adsorción y selectividad a bajo costo (Al- Qodah et al., 2017).

1.2.5. Mecanismos de bioadsorción

Es muy necesario comprender cómo se une el ion metálico a la biomasa.

Esto se logrará identificando los grupos funcionales activos que pueden unirse con iones metálicos; los grupos funcionales se encuentran básicamente en la pared celular de plantas o microorganismos. La característica higroscópica y de afinidad por el agua del material lignocelulósico permite que el agua penetre en la parte no cristalina de la celulosa, la hemicelulosa y la lignina. En consecuencia, en un proceso de adsorción, las soluciones pueden interactuar con diferentes componentes de la pared celular. En la mayoría de los casos, esta interacción se conoce como adsorción química, ya que produce fuertes enlaces químicos a través de reacciones selectivas, irreversibles y endotérmicas; la bioadsorción de iones metálicos por biomasa no viva se basa en la bioadsorción de metales debido a las altas afinidades entre la biomasa y los iones metálicos. La naturaleza compleja del mecanismo se expresa en la figura 1 (Al-Qodah et al., 2017).

24

Figura 1: Diagrama simplificado de la naturaleza compleja del mecanismo de bioadsorción

Fuente:(Al-Qodah et al., 2017)

Los mecanismos del proceso de bioadsorción son bastante complejos y básicamente difíciles de entender. Sin embargo, puede ser uno o una combinación de varios procesos que incluyen complejación, intercambio iónico, interacción electrostática, coordinación, quelación, adsorción y microprecipitación (Al-Qodah et al., 2017).

Los principales parámetros que afectan el proceso de bioadsorción de iones de metales pesados incluyen la concentración inicial de metal, el pH, la temperatura y la dosis de bioadsorbente. El pH de la solución de bioadsorción es un parámetro de control importante que podría afectar el desempeño del proceso de bioadsorción de iones metálicos. La magnitud de las cargas eléctricas en los iones adsorbatos y en los grupos funcionales adsorbentes suele verse afectada por el valor del pH de la solución. El valor de pH generalmente afecta la solubilidad de los iones metálicos, la carga de los grupos funcionales adsorbentes y su disponibilidad para unirse con iones metálicos y la competencia entre iones metálicos en los sitios activos bioadsorbentes (Al-Qodah et al., 2017).

25 1.2.6. Factores que afectan la bioadsorción

A. Temperatura

Para eliminar eficazmente los iones metálicos del medio ambiente, es necesario investigar la temperatura óptima. Generalmente se asume que la bioadsorción se lleva a cabo entre 20 °C y 35 °C. Las temperaturas elevadas por encima de los 45 °C pueden dañar las proteínas, lo que a su vez afecta el proceso de adsorción de metales (Shamim, 2018).

B. pH

Es un parámetro muy importante. Afecta la solubilidad de los iones metálicos y los sitios de unión de la biomasa. A pH más bajo, la bioadsorción de metales se ve afectada. El rango general de pH para la adsorción de metales es de 2,5 a 6. Por encima de este límite, la capacidad de adsorción de metales del bioadsorbente se ve comprometida (Shamim, 2018).

C. Naturaleza de los bioadsorbentes

La absorción de metales se informa en diferentes formas como biopelículas, células microbianas en suspensión libre o inmovilización de células microbianas. Puede ser alterado por tratamientos físicos o químicos. Los tratamientos físicos incluyen esterilización en autoclave, secado, ebullición, sonicación, etc. El tratamiento químico, como su nombre lo indica, involucra químicos como ácidos o álcalis para mejorar la capacidad de bioadsorción (Shamim, 2018).

D. Concentración de biomasa

La concentración de biomasa es directamente proporcional a la absorción de metales. Se informa que la interacción electrostática entre las células juega un papel importante en la adsorción de metales. En un equilibrio dado, la biomasa adsorbe más iones metálicos a densidades celulares bajas que a densidades altas. La adsorción de metal depende de los sitios de licitación. Una mayor concentración de biomasa o más iones metálicos restringe el acceso de los iones metálicos a los sitios de unión (Shamim, 2018).

E. Concentración de iones metálicos

La concentración inicial proporciona una fuerza impulsora importante para superar toda la resistencia a la transferencia de masa del metal entre las

26 fases acuosa y sólida. La cantidad creciente de metal adsorbido por la biomasa aumentará con la concentración inicial de metales. El porcentaje óptimo de eliminación de metal se puede tomar con una concentración de metal inicial baja. Por tanto, a una determinada concentración de biomasa, la adsorción de metales aumenta con el aumento de la concentración inicial (Shamim, 2018).

F. Afinación del metal por el bioadsorbente

El pretratamiento físico/químico afecta la permeabilidad y las cargas superficiales de la biomasa y hace que los grupos de unión de metales sean accesibles para la unión. Puede manipularse pretratando la biomasa con álcalis, detergentes ácidos y calor, lo que puede aumentar la absorción de metales (Shamim, 2018).

1.2.7. Equilibrio de bioadsorción

Es necesario formar la correlación de equilibrio de adsorción más apropiada en el intento de descubrir adsorbentes innovadores para obtener acceso a un sistema de adsorción ideal, que es vital para la predicción consistente de los parámetros de adsorción y la comparación cuantitativa del comportamiento de los adsorbentes para varios sistemas adsorbentes (o para condiciones experimentales variadas). Las isotermas de adsorción, que es un nombre común de las relaciones de equilibrio, son esenciales para la optimización de las vías del mecanismo de adsorción, la expresión de las propiedades y capacidades superficiales de los adsorbentes y el diseño productivo de los sistemas de adsorción, ya que explican cómo los contaminantes se interrelacionan con los materiales adsorbentes (Anastopoulos et al., 2017).

Explicar el fenómeno a través del cual tiene lugar la preservación (o liberación) o movilidad de una sustancia desde los medios porosos acuosos o ambientes acuáticos a una fase sólida a una temperatura y pH persistentes, en amplio espectro, una isoterma de adsorción es una curva invaluable. La asociación matemática que establece un papel significativo en el análisis de modelos, el diseño operativo y la práctica aplicable de los sistemas de adsorción se representa normalmente trazando un gráfico entre la fase sólida y su concentración residual (Anastopoulos et al., 2017).

27 Cuando la concentración del soluto permanece sin cambios como resultado de una transferencia neta cero de soluto adsorbido y desorbido de la superficie del sorbente, se logra una condición de equilibrio. Estas asociaciones entre la concentración de equilibrio del adsorbato en la fase sólida y líquida a temperatura persistente están definidas por las isotermas de absorción de equilibrio. Lineales, favorables, fuertemente favorables, irreversibles y desfavorables son algunas de las formas isotermas que pueden formarse. La comprensión del mecanismo de adsorción, las propiedades de la superficie y el grado de afinidad de los adsorbentes son proporcionados por los parámetros fisicoquímicos acompañados de las suposiciones termodinámicas fundamentales (Anastopoulos et al., 2017).

En la actualidad, los modelos más utilizados son Langmuir, Freundlich y Langmuir-Freundlich. La cantidad de adsorción de contaminantes en el equilibrio 𝑄𝑒 (mg/g) se calcula utilizando la ecuación de balance de masa (Anastopoulos et al., 2017):

𝑄𝑒 =(𝐶₀− 𝐶_𝑒)𝑉

𝑚 (1) Donde:

 𝐶₀ 𝑦 𝐶_𝑒: son la concentración de contaminante inicial y de equilibrio, respectivamente (mg/L).

 𝑉: es el volumen de adsorbato (solución) (L).

 𝑚: es la masa de adsorbente (g) A. Modelo de Freundlich

En este modelo, se supone que la superficie sólida es sitios de unión heterogéneos y no equivalentes. El modelo general de Freundlich se puede definir por (Al-Qodah et al., 2017):

𝑞_𝑒 = 𝐾_𝐹𝐶_𝑒^1/𝑛 (2) Donde:

 𝐶_𝑒: concentración de iones metálicos en equilibrio (mg/L).

 𝐾_𝐹: constantes de Freundlich relacionadas con la capacidad de bioadsorción.

 𝑛: medida de la intensidad de bioadsorción y qué tan favorable es el proceso de adsorción; además, n, que varía con la heterogeneidad del adsorbente.

28 La isoterma de Freundlich también establece que la energía de adsorción disminuye exponencialmente al completar los sitios de adsorción del adsorbente utilizado (Al-Qodah et al., 2017).

Una gráfica de 𝑙𝑛 𝑞_𝑒 contra 𝑙𝑛 𝐶_𝑒 da una línea recta con ¹

𝑛 como pendiente e 𝑙𝑛 𝐾_𝐹 como intercepto, respectivamente. El valor de 𝐾_𝐹 determina el grado o la fuerza de adsorción. Los valores de 𝐾_𝐹 grandes indican una adsorción máxima y viceversa, por otro lado, ¹

𝑛 es un factor de heterogeneidad que podría indicar la intensidad de la adsorción. Si los valores de 𝑛 > 1, esto indica condiciones de adsorción favorables (Al- Qodah et al., 2017).

B. Modelo de Langmuir

El modelo de Langmuir asume que los sitios activos de adsorción están distribuidos uniformemente en la superficie adsorbente. Esta distribución finita conduce a la formación de una monocapa de iones adsorbato en la superficie adsorbente. El modelo general de Langmuir se puede definir como (Al-Qodah et al., 2017):

𝐶_𝑒

𝑞_𝑒 = 1

𝐾_𝑎𝑞_𝑚+ 𝐶_𝑒

𝑞_𝑚 (3) Donde:

 𝑞_𝑚: capacidad máxima de adsorción en determinadas condiciones (mg/g).

 𝐾_𝑎: constante del modelo de Langmuir (L/mg); además, también es igual a la relación entre las tasas de adsorción/desorción.

Una gráfica de 𝐶_𝑒/𝑞_𝑒 contra 𝐶_𝑒 da una línea recta con 1/𝑞_𝑚 y 1/𝐾_𝑎𝑞_𝑚 los valores son la pendiente y una intersección, respectivamente. Si los valores de 𝑞_𝑚 aumentan a medida que aumenta la temperatura, esto indica que el proceso de adsorción es favorable y de naturaleza endotérmica. Un comportamiento opuesto indica que el proceso de adsorción es exotérmico (Al-Qodah et al., 2017).

Se ha descubierto que la aplicabilidad de los modelos de Freundlich y Langmuir e isotermas se limita a los procesos de adsorción por lotes. Los procesos por lotes permiten un tiempo de contacto suficiente para lograr el equilibrio entre el adsorbato y el adsorbente. Como se mencionó

29 anteriormente, el modelo de isoterma de Langmuir, como el modelo más popular de todas las isotermas no lineales, asume que el adsorbente es estructuralmente homogéneo y que los sitios de adsorción disponibles son energéticamente idénticos o equivalentes. En consecuencia, la capacidad de adsorción del adsorbente es finita a partir de un adsorbato en determinadas condiciones. Todo el proceso involucra el mismo mecanismo, en el cual tiene la misma estructura del complejo sorbente completo, la misma afinidad por los sitios sorbentes y no existe interacción o competencia entre los solutos adsorbidos y el proceso ocurre es reversible (Al-Qodah et al., 2017).

1.2.8. Biomasa de café

La revalorización de la biomasa, como los residuos de café, depende principalmente de sus propiedades fisicoquímicas, como la composición química, la presencia de compuestos extraíbles y la diversidad de grupos funcionales. Estas propiedades se alteran según el tipo y variedad de planta; en el caso del café, el más utilizado es el llamado café Arábica (Cerino-Córdova et al., 2020).

A. Composición química

Los desechos de café, que son biomasa lignocelulósica, que se compone principalmente de los elementos esenciales de la vida (C, H, O y N), que forman principalmente celulosa (59,2 % - 62,94 % en peso), hemicelulosa (5 % - 10 % en peso) y lignina (19,8 % - 26,5 % en peso). Además, estos elementos están presentes en forma de compuestos recuperables, como aceites esenciales y flavonoides, entre otros. Sin embargo, dado que este material ya ha sido sometido a un proceso de extracción hidrotermal, la presencia de estos compuestos suele ser baja en comparación con los constituyentes lignocelulósicos (10 % en peso). Además, este tipo de residuos suele tener algunos elementos considerados micronutrientes inorgánicos como el calcio, magnesio o sodio, pero sus concentraciones son generalmente inferiores al 5,0 % del peso seco (Cerino-Córdova et al., 2020).

B. Propiedades físicas de la superficie

Dada la diversidad estructural de los constituyentes del residuo del café, se espera una presencia heterogénea de grupos funcionales en la superficie

30 del material, lo que dotará a esta biomasa de características únicas. La celulosa y la hemicelulosa tienen grupos funcionales de tipo alcohol (R▬OH), que pueden favorecer la funcionalización de estos materiales, por ejemplo, mediante procesos de esterificación. Por otro lado, dado su proceso de formación, la lignina como macromolécula tiene grupos hidroxilo fenólicos y alifáticos, además de grupos metoxilo, carbonilo y aldehído, entre otros. La concentración de estos grupos dependerá de la variedad y clase del material de partida (Cerino-Córdova et al., 2020).

1.3. MARCO CONCEPTUAL

 Bioadsorción: se refiere a cualquier sistema que implica interacciones entre un adsorbato que podría ser un átomo, una molécula o un ion simple o complejo con un bioadsorbente como una superficie sólida de un material biológico (Al-Qodah et al., 2017).

 Biomasa: es un material biológico derivados tanto de plantas como de animales y puede provenir de cultivos y residuos forestales, cultivos y residuos agrícolas, desechos marinos y desechos y coproductos industriales (Kalyani y Anitha, 2013).

 Optimización: es una de las herramientas más poderosas en la integración de procesos. La optimización implica la selección de la mejor solución entre el conjunto de soluciones candidatas (Mahmoud y Halwagi, 2006).

 Metal pesado: es un término colectivo general para metales y metaloides, y su proporción es mayor 4 ± 1 g/cm3. Aunque este es un término ampliamente definido, generalmente se acepta que los metales pesados se refieren principalmente a elementos pesados como arsénico, plomo, cadmio, mercurio, cromo y cobre, que tienen una toxicidad biológica grave en el medio acuático (L. Liu et al., 2019).

 Ion: puede definirse como una especie química que tiene una carga positiva o negativa de alguna magnitud. El término ion se puede utilizar para referirse a átomos o moléculas que tienen cargas netas distintas de cero asociadas a ellos (Al-Qodah et al., 2017).

31 CAPÍTULO II

2. PARTE EXPERIMENTAL

El propósito de este capítulo es presentar los protocolos experimentales empleados durante las pruebas de degradación del cromo (VI), usando como bioadsorbente el grano de café desgastado

2.1. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 2.1.1. Materiales

 Fiola de 1L

 Frascos ambar

 8 matracez de 100 mL

 Papel filtro

 Tamiz

 Matraz de 500 mL

 Gotero

 9 matracez de 250 mL

 Tubos de ensayo con tapas

 Embudo de filtración 2.1.2. Equipos

 Espectofotometro

 Equipo Soxhlet

 Horno

 pHmetro

 Agitador magnético 2.1.3. Reactivos

 dicromato de potasio (K2Cr2O7)

 ácido sulfúrico (H2SO4)

 hidróxido de sodio (NaOH)

32 2.2. VARIABLES

2.2.1. Variable dependiente

 Eficiencia de bioadsorción de iones de Cr (VI) 2.2.2. Variables independientes

 Concentración del bioadsorbente a base de granos de café desgastados

 pH

 Tiempo de mezcla

2.3. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN

Los diseños factoriales son ampliamente utilizados en experimentos en los que intervienen varios factores para estudiar el efecto conjunto de éstos sobre una variable de interés, existen varios casos especiales del diseño factorial general que resultan importantes porque se usan ampliamente en el trabajo de investigación, además de constituir la base para otros diseños de gran valor práctico (Varela et al., 2011).

El diseño que se aplicó en esta investigación fue el factorial 2³, como cada factor en el experimento tiene 2 niveles se llamó nivel bajo (-) y alto (+), los niveles de cada factor para el método de diseño factorial con tres variables independientes se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1: Niveles de cada factor para el método de diseño factorial

Factor Nombre Unidad Símbolo Mínimo Máximo A Concentración

bioadsorbente g/L X1 1 5

B pH X2 3 9

C Tiempo de mezcla min X3 60 180

Fuente: Elaboración propia.

El esquema del diseño factorial general se muestran a continuación en la tabla 2.

Tabla 2: Esquema del diseño factorial 2³

N° Factor A (g/L) Factor B (pH) Factor C (min)

1 1 3 60

2 1 3 180

3 1 9 60

4 1 9 180

5 5 3 60

6 5 3 180

7 5 9 60

8 5 9 180

Fuente: Elaboración propia.

33 En este tipo de experimentos se pueden estudiar los 2³ – 1 = 7 efectos: tres efectos principales A, B, C; tres interacciones dobles AB, AC, BC y una interacción triple ABC, por lo general, el interés se enfoca en estudiar los efectos principales y las interacciones dobles (Gutiérrez Pulido & De la vara Salazar, 2016).

La validez del modelo obtenido se realizó comparando datos experimentales y datos estimados, asimismo se realizaron 3 réplicas para que el modelo incluya todas las interacciones posibles.

2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En la presente investigación se realizó una metodología empírico analítica del tipo experimental, el cual se identifica por la manipulación intencional de unas o más variables independientes, para observar/medir su influencia en una o más variables dependientes y por la asignación aleatoria de los sujetos para buscar la equivalencia estadística, asimismo se usa los estadísticos inferenciales (Rodríguez Gómez y Valldeoriola Roquet, 2009).

El desarrollo de la metodología empírico analítica se desarrolló manipulando las variables (concentración de granos de café desgastados, pH y tiempo de mezcla) para observar su efecto en la eficiencia de bioadsorción de Cr(VI).

2.4.1. Preparación de la solución acuosa de Cr(VI)

La preparación de la solución acuosa de Cr(VI) se realizó utilizando dicromato de potasio (K2Cr2O7), para lo cual se preparó una concentración estándar de Cr(VI) de 300 mg/L, la cual fue la concentración inicial del Cr(VI) de la solución acuosa, para ello se diluyó 0,85 g de K2Cr2O7 en una fiola de 1 L de agua destilada (Bardi y Tawde, 2020).

Es importante mencionar que se utilizó guantes, asimismo, como la solución madre de Cr(VI) es inestable con la luz, se colocó en un frasco de color ambar.

2.4.2. Preparación del bioadsorbente

El bioadsorbente utilizado fue los granos de café desgastados, los cuales son residuos de las cafeterías que se encuentran en el centro de la ciudad de Huancayo, el procedimiento para la preparación son los siguientes:

 Los granos de café desgastados fueron lavados con agua destilada durante 1 hora (Sadok et al., 2019).

 Para la extracción de las sustancias oleosas de los granos de café

34 desgastados se realizó una extracción soxhlet por etanol, para lo cual los granos de café lavado se empaquetaron en un paquete de papel filtro y se mantuvieron en un extractor soxhlet durante 24 h (Kaikake et al., 2007).

 Seguidamente los granos de café desengrasados fueron secados a 45 °C durante 24 horas (Sadok et al., 2019).

 Finalmente, los granos de café secados fueron tamizados en un tamiz ASTM N°35 (abertura de malla nominal ≤ 500 µm), luego se almacenaron en recipientes cerrados (Lavecchia et al., 2016).

2.4.3. Experimentos de bioadsorción

 Se modificó el pH de las soluciones estándar de Cr(VI) a valores de 3 y 9 utilizando gotas de ácido sulfúrico (en el caso que se requirió acidificar el pH de la solución acuosa) o hidróxido de sodio (en el caso que se requirió llevar a un pH básico) (Bardi y Tawde, 2020).

 En vasos precipitados de 250 mL se agregaron 200 mL de la solución estándar de Cr(VI) a diferentes pH, seguidamente, se agregó 1 g/L y 5 g/L de los granos de café desgastados tamizados (Demir Delil et al., 2019).

 El tiempo de mezcla se realizó a 100 rpm durante 60 min y 180 min (Wu et al., 2016).

 Finalmente, la muestra se dejó sedimentar y luego se filtró a través de un papel de filtro Whatman N° 1. Se tomaron alícuotas de la solución acuosa tratada y se llevaron al laboratorio Incalab para determinar la absorbancia de cada muestra tratada.

35

Figura 2: Flujograma del proceso experimental de la bioadsorción de Cr(VI) con granos de café desgastados

Fuente: Elaboración Propia.

2.4.4. Proceso de evaluación de la bioadsorción

Las condiciones óptimas en las que la eliminación de Cr(VI) de soluciones acuosas por el método de adsorción fue máxima se determinó utilizando el método de la "función de deseabilidad", la evaluación se realizó utilizando el software estadístico Minitab en el diseño de factorial completo. El enfoque de la función de deseabilidad convierte cada variable de respuesta en una función de deseabilidad individual, la función de deseabilidad individual puede visualizarse en un rango de 0 a 1, cuando una variable de respuesta alcanza un valor objetivo, el valor de la función de deseabilidad se convierte en 1 y el valor de la función de deseabilidad disminuye a medida que la variable de respuesta se desvía del valor objetivo. El uso de este método puede encontrar condiciones óptimas que proporcionen los valores de respuesta "más deseables".

.

36 CAPÍTULO IV

3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La finalidad de este capítulo es hacer la presentación y discusión de los resultados obtenidos para el tratamiento de soluciones que contienen el contaminante cromo (VI).

3.1. Resultados

La solución acuosa de Cr(VI) inicial se mandó a analizar al laboratorio Incalab, mismos que remitieron el informe de ensayo N° MA21060001 (Ver anexo I.1), donde se observa que la concentración inicial de Cr(VI) fue 319,60 mg/L.

3.1.1. Resultados de los ensayos de bioadsorción de Cr(VI)

La solución acuosa de Cr(VI) tratada con granos de café desgastados mediante el proceso de bioadsorción, se analizaron en el laboratorio de Incalab para determinar la concentración residual del Cr(VI) en las muestras tratadas, los resultados obtenidos en la primera réplica se presentan en el informe de ensayo N° MA21060001 (Ver anexo I.1) y se resumen en la tabla 3.

Tabla 3: Concentración de Cr(VI) después del tratamiento con granos de café desgastados en la réplica I

Código Concentración (g/L) pH Tiempo

(min) Cr(VI)(mg/L)

M01 1 3 60 209,60

M02 1 3 180 120,10

M03 1 9 60 176,50

M04 1 9 180 166,30

M05 5 3 60 215,10

M06 5 3 180 217,90

M07 5 9 60 192,30

M08 5 9 180 191,00

Fuente: Elaboración Propia

En la tabla 3 se observa que la concentración disminuyó hasta un mínimo de 120,10 mg/L, obtenido cuando la concentración del bioadsorbente a base de granos de café fue de 1 g/L, el pH de 3 y un tiempo de mezcla de 180 min, mientras que al aplicar 5 g/L de granos de café con una mezcla

37 de 180 min y un pH de 3 la concentración de Cr (VI) se redujo solo hasta 217,90 mg/L.

Los resultados de la segunda réplica se encuentran en el informe de ensayo N° MA21060005 (Ver anexo I.2) y se resumen en la tabla 4.

Tabla 4: Concentración de Cr(VI) después del tratamiento con granos de café desgastados en la réplica II

Código Concentración (g/L) pH Tiempo

(min) Cr(VI)(mg/L)

M11 1 3 60 207,30

M12 1 3 180 125,80

M13 1 9 60 181,20

M14 1 9 180 160,90

M15 5 3 60 212,40

M16 5 3 180 218,50

M17 5 9 60 191,70

M18 5 9 180 190,10

Fuente: Elaboración Propia

En la tabla 4 se observa que en la réplica II, la concentración del Cr (VI) después del tratamiento con 1 g/L de granos de café disminuyó hasta 125,80 mg/L cuando el pH de la solución fue de 9 y el tiempo de mezcla fue de 180 min; al utilizar 5 g/L de granos de café la concentración del Cr (VI) disminuyó hasta 190,10 mg/L cuando el pH de la solución fue de 3 y el tiempo de mezcla fue de 180 min.

Los resultados de la tercera réplica se encuentran en el informe de ensayo N° MA21060006 (Ver anexo I.3) y se resumen en la tabla 5.

Tabla 5: Concentración de Cr(VI) después del tratamiento con granos de café desgastados en la réplica III

Código Concentración (g/L) pH Tiempo

(min) Cr(VI)(mg/L)

M21 1 3 60 211,60

M22 1 3 180 123,70

M23 1 9 60 174,70

M24 1 9 180 168,30

M25 5 3 60 219,00

M26 5 3 180 218,40

M27 5 9 60 191,90

M28 5 9 180 189,80

Fuente: Elaboración Propia

38 En la tabla 5 se observa que después de los ensayos de la réplica III, la concentración del Cr(VI) disminuyó desde su inicial hasta 219,00 mg/L cuando la concentración del bioadsorbente a base de granos de café fue de 5 g/L, pH de la solución de 3 y el tiempo de mezcla fue de 60 min, al incrementar el tiempo hasta 180 min la concentración del Cr (IV) disminuyó hasta 218,40 mg/L.

Con los resultados de las tres réplicas se halló un promedio presentado en la tabla 6.

Tabla 6: Concentración promedio de Cr(VI) después del tratamiento con granos de café desgastados

Concentración (g/L) pH Tiempo

(min) Cr(VI)(mg/L)

1 3 60 209,50

1 3 180 123,20

1 9 60 177,47

1 9 180 165,17

5 3 60 215,50

5 3 180 218,27

5 9 60 191,97

5 9 180 190,30

Fuente: Elaboración Propia

En la tabla 6 se observa las concentraciones de Cr (VI) promedio, obteniendo una mínima concentración de 123,20 mg/L cuando la concentración del bioadsorbente a base de granos de café fue de 1 g/L, el pH de la solución fue de 3 y el tiempo de mezcla fue de 180 min. Para analizar la tendencia de los resultados se realizó un gráfico de dispersión presentado en la figura 3.

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Figura 3: Biosorción de Cr(VI) con granos de