UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
OPTIMIZACIÓN DE LA SUPERFICIE DEL CARBÓN ACTIVADO DE CORONTA DE MAÍZ POR ÁCIDO CÍTRICO y pH EN LA
ADSORCIÓN DE PLOMO
Tesis
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico Ambiental, Título Profesional de Ingeniero Químico del Gas Natural y Energía.
Presentado por:
Adaia Rosario García Chupan Denis Edwin Araujo Gonzalo
HUANCAYO - PERÚ 2021
ii TÍTULO
OPTIMIZACIÓN DE LA SUPERFICIE DEL CARBÓN ACTIVADO DE CORONTA DE MAÍZ POR ÁCIDO
CÍTRICO y pH EN LA ADSORCIÓN DE PLOMO
iii
ASESOR
MSc. Loayza Morales, César Augusto
iv DEDICATORIA
Dedico esta tesis a mis padres por haberme forjado como la persona que soy en la actualidad, a mi familia que siempre han sido mi apoyo y motor en todos los momentos;
mucho de mis logros se los debo a ustedes. Me formaron con grandes valores en la vida;
siempre motivándome constantemente para alcanzar mi metas y sueños.
García Chupán, Adaia Rosario
A mi hija Zoe por ser la inspiración de mi vida y a toda mi familia que siempre han sido mi apoyo y motor en todos los momentos; mucho de mis logros se los debo a ellos. Me formaron con grandes valores en la vida; siempre motivándome constantemente para alcanzar mi metas y sueños.
Araujo Gonzalo, Denis Edwin
v AGRADECIMIENTO
Agradecemos en primer lugar a Dios quien ha estado en mis peores y mejores momentos, quien nos hizo que fuéramos más valientes en todas las situaciones por las cuales tuvimos que pasar; a nuestros padres que con un arduo trabajo nos educaron y apoyaron en la formación profesional, a nuestros familiares queridos, que de alguna forma u otra a lo largo de nuestra vidas han estado para reír, llorar y solidarizarnos; a las personas que se cruzaron en nuestra vida, que aportaron con sus experiencias y conocimientos en el día a día para que podamos entender y conocer cada vez más de la vida.
Los autores
vi RESUMEN
La presente investigación tuvo como objetivo optimizar la superficie del carbón activado de coronta de maíz por ácido cítrico y pH en la adsorción de plomo. El tipo de investigación fue experimental con un diseño factorial del tipo 32; el agua de relave minero se muestreo de la mina Animon en Cerro de Pasco; además, el carbón activado se preparó con coronta de maíz y se modificó con ácido cítrico a volúmenes de 25 mL, 30 mL y 35 mL. Los resultados presentan que la concentración inicial de Pb (II) fue de 3,62 mg/L, después del proceso de adsorción se observó que al utilizar carbón activado modificado con 25 mL de ácido cítrico el porcentaje de remoción de Pb (II) fue 41,80 %, 52,58 % y 71,64 %; al utilizar carbón activado modificado con 30 mL de ácido cítrico el porcentaje de remoción de Pb (II) fue 58,29 %, 63,26 % y 78,82 %; finalmente, al utilizar carbón activado modificado con 35 mL de ácido cítrico el porcentaje de remoción de Pb (II) fue 61,33 %, 70,81 % y 90,42 % para pH de 3, 4 y 5 respectivamente; asimismo, se observó que los resultados de adsorción se ajustan más a la isoterma de Freundlich con un R2 de 0,9346 a comparación de la isoterma de Langmuir que presentó un R2 de 0,9255.
Concluyeron que a un volumen de ácido cítrico óptimo de 35 mL y a un pH óptimo de 5 se alcanzaron mejores porcentajes de remoción de Pb (II) de 90,42 %, percibiendo que las áreas superficiales de los carbones se incrementaron al aumentar el volumen de ácido cítrico.
Palabras clave: Carbón activado, maíz, pH, plomo; modificación.
vii INTRODUCCIÓN
La operación de varios proyectos mineros en el Perú, trae consigo la generación de relaves mineros y residuos líquidos que son evacuados en aguas superficiales incrementando el volumen de aguas contaminadas (Rotta Latorre y Tovar Torres, 2017, pág 78).
Por las razones descritas párrafos arriba se pretende disminuir la carga metálica (Plomo) del agua de relave minero utilizando el carbón activado de la coronta de maíz, el cual será modificando la superficie con ácido cítrico, en el presente estudio se investigará el efecto del ácido cítrico y el pH, el ácido cítrico reduce el área de la superficie del carbón activado mejorando la capacidad de adsorción, investigaciones muestran que el pH influye en la formación de complejos o hidroxicomplejos causando la adsorción acuosa de los cationes metálicos, además, el pH afecta a los grupos funcionales de la superficie del adsorbente generando el intercambio de iones (H3O+) por los centros activos ionizables (Satapathy y Natarajan, 2010, pág. 1980).
La coronta del maíz se caracteriza por sus propiedades lignocelulósicas presentando diferentes grupos funcionales como amida, amina, carboxilo, carbonilo, hidroxilo, entre otros, esta característica química permite su interacción con los iones de los metales pesados (Porras Sequeiros y Martinez Suarez, 2019, pág. 60).
La presente investigación se divide en tres partes, en la primera se redactó los antecedentes de la investigación que ayudaron en el desarrollo de la investigación, además se presentó algunos alcances teóricos y conceptuales; en la segunda parte, se describe el desarrollo experimental desarrollado desde el muestre del agua de relave minero hasta la obtención de la concentración final de Pb (II) después de la aplicación de carbón activado de coronta de maíz. Finalmente, en la tercera parte se describieron los resultados obtenidos, comparándolo con los resultados de otros investigadores y se realizó el análisis estadístico.
viii OBJETIVOS
Objetivo general:
Optimizar la superficie del carbón activado de coronta de maíz por ácido cítrico y pH en la adsorción de plomo.
Objetivos específicos:
• Caracterizar las áreas específicas de superficie del carbón activado de coronta de maíz por ácido cítrico.
• Determinar el efecto que tendrá el pH en la adsorción de plomo con carbón activado de coronta de maíz.
• Establecer el modelo de equilibrio de adsorción que se ajustará mejor a los datos experimentales obtenido.
ix SIMBOLOGIA UTILIZADA
AC: Ácido cítrico
AC-HA: carbón activado modificado BC: Bagazo de caña de azúcar
CAWB: Biocarbón modificado con ácido cítrico 𝑏: Constante de Langmuir
𝐶𝑒: Concentración en el equilibrio (mg/L).
𝐶𝑜: Concentración inicial (mg/L)
K: constantes de Langmuir relacionadas con la energía de adsorción 𝑘𝐹: Constante de Freundlich
M: Molar
MB: Azul de metileno
𝑛: Intensidad de adsorción PFO: pseudoprimer orden pH: Potencial de hidrógeno
𝑞𝑒: Cantidad de iones metálicos adsorbidos en el equilibrio (mg/g) 𝑞𝑚á𝑥: capacidad máxima de adsorción (mg/g)
Qo: constantes de Langmuir relacionadas con la capacidad de adsorción R: constante de gas
T: temperatura
𝑉: volumen de la solución (L).
𝑊: masa del adsorbente 𝑥1: Factor A
𝑥2: Factor B
ZM: Zuro de maíz
x ABREVIATURA UTILIZADA
EPP: Equipos de protección personal LMP: Límite máximo permisible
SEM: Microscopio electrónico de barrido
xi INDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIA iv
AGRADECIMIENTO v
RESUMEN vi
INTRODUCCIÓN vii
OBJETIVOS viii
SIMBOLOGIA UTILIZADA ix
INDICE DE CONTENIDO xi
ÍNDICE DE TABLAS xiv
ÍNDICE DE FIGURAS xv
CAPÍTULO I 16
1. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 16
1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN 16
1.2. MARCO TEÓRICO 20
1.2.1. Maíz 20
1.2.2. Carbón activado 21
1.2.3. Modificación de la superficie del carbón activado por ácido 24
1.2.4. Ácido cítrico 24
1.2.5. Adsorción 25
1.2.6. Isotermas de adsorción 25
1.2.7. Relaves mineros 27
1.2.8. Plomo 29
1.2.9. Impacto ambiental del plomo 30
1.3. MARCO CONCEPTUAL 31
CAPÍTULO II 33
2. PARTE EXPERIMENTAL 33
2.1. METODOLOGÍA 33
xii
2.2. DISEÑO EXPERIMENTAL 33
2.3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 34
2.3.1. Materiales 34
2.3.2. Reactivos 34
2.3.3. Equipos 35
2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 35
2.4.1. Muestreo de agua de relave minero y preparación de carbón activado 35 2.4.2. Modificación de la superficie del carbón activado de coronta de maíz
con ácido cítrico 37
2.4.3. Caracterización de la superficie de carbón activado modificado 38
2.4.4. Ensayo de adsorción de plomo 39
2.4.5. Determinación del modelo de equilibrio de adsorción 39
CAPÍTULO III 43
3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 43
3.1. Resultados 43
3.1.1. Concentración inicial de Pb (II) en las aguas de relave minero 43 3.1.2. Adsorción de Pb (II) con carbón activado de coronta de maíz 44 3.1.3. Características de las superficies del carbón activado de coronta de
maíz modificado con ácido cítrico 48
3.1.4. pH y adsorción de plomo con carbón activado de coronta de maíz 49
3.1.5. Modelos de equilibrio de adsorción 50
3.2. Discusión de resultados 54
3.2.1. Efecto del carbón activado de coronta de maíz modificado en la
adsorción de Pb (II) 54
3.2.2. Efecto del pH en la adsorción de Pb (II) 55
3.2.3. Modelo de equilibrio de adsorción que se ajusta mejor a los datos 58
3.2.4. Optimización de la adsorción de plomo 59
3.3. Análisis estadístico 60
xiii
3.3.1. Análisis de varianza 61
3.3.2. Constrastación de la hipótesis general 63
3.3.3. Constrastación de la primera hipótesis específica 63 3.3.4. Constrastación de la segunda hipótesis específica 64 3.3.5. Constrastación de la tercera hipótesis específica 64
CONCLUSIONES 65
RECOMENDACIONES 66
BIBLIOGRAFÍA 67
ANEXOS 71
xiv ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Clasificación botánica del maíz. 20
Tabla 2. Análisis bromatológico del maíz. 23
Tabla 3. Diseño de la investigación. 33
Tabla 4. Réplicas de las pruebas experimentales 34
Tabla 5. Concentración final de Pb (II) de las aguas de relave minero tratadas 44 Tabla 6. Concentración de Pb (II) promedio de las aguas de relave minero tratadas 45 Tabla 7. Porcentaje de remoción de Pb (II) de las aguas de relave minero 47 Tabla 8. Porcentaje de remoción promedio de Pb (II) de las aguas de relave minero 47 Tabla 9. Concentración final de Pb (II) al aplicar diferentes dosis de carbón activado 51 Tabla 10. Cantidad de iones metálicos de Pb (II) adsorbidos en el equilibrio 51 Tabla 11. Valores de 1qe y 1ce necesarios para el gráfico del modelo de isoterma
de Langmuir 52
Tabla 12. Valores de log qe y log ce necesarios para el gráfico del modelo de isoterma
de Freundlich 53
Tabla 13. Constantes del modelo de isoterma de Freundlich 59 Tabla 14. Análisis de varianza para la remoción de Pb (II) de las aguas de relave
minero 62
Tabla 15. Resumen del modelo 63
xv ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Morfología del maíz. 21
Figura 2. Descargas abiertas de efluentes de relaves mineros. 29 Figura 3. Fuentes de contaminación por metales pesados. 31 Figura 4. Procedimiento del muestreo del agua de relave minero y de la realización
carbón activado. 37
Figura 5. Modificación de la superficie del carbón activado. 39
Figura 6. Determinación del equilibrio de adsorción. 41
Figura 7. Esquema experimental. 42
Figura 8: Concentración de Pb (II) presente en el agua de relave de la mina Animon 43 Figura 9: Concentración promedio de Pb (II) presente en el agua de relave de la
mina Animon tratados con carbón activado de coronta de maíz 46 Figura 10: Imágenes SEM del carbón activado de coronta de maíz 48 Figura 11: Imágenes SEM del carbón activado de coronta de maíz modificado con
ácido cítrico A) 25 mL, B) 30 mL, C) 35 mL 49
Figura 12: pH y efectos sobre el porcentaje de remoción de Pb (II) de las aguas de
relave minero 50
Figura 13: Representación gráfica del modelo de isoterma de Langmuir 52 Figura 14: Representación gráfica del modelo de isoterma de Freundlich 54 Figura 15: Gráfica de efectos del volumen de ácido cítrico aplicado como modificante del carbón activado en la adsorción de Pb (II) de las aguas de relave minero 54 Figura 16: Gráfica de efectos del pH en la adsorción de Pb (II) de las aguas de
relave minero 56
Figura 17: Diagrama de especiación para el plomo respecto al pH de la solución 57 Figura 18: Gráfica de contorno de remoción de Pb (II) respecto al pH 58 Figura 19: Gráfica de superficie de remoción de Pb (II) respecto al pH y ácido cítrico 59 Figura 20: Gráfica de optimización de respuesta de remoción de Pb (II) respecto 60 Figura 21: Gráfica de probabilidad normal para los porcentajes de remoción de Pb (II)
de las aguas de relave minero 61
16 CAPÍTULO I
1. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
1.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Guo et al., (2017) desarrollaron un adsorbente de carbón activado modificado in situ (AC-HA) para la eliminación rápida y eficiente de Pb (II) de medios acuosos, el AC-HA mostró grupos funcionales que contienen oxígeno más ricos que el AC original, además, el rendimiento de eliminación de AC-HA (250,0 mg/g) hacia Pb (II) mejoró mucho en comparación con el AC original (166,7 mg/g), los resultados se ajustaron al modelo cinético de Pseudo- segundo orden y a la isoterma de Landmuir; el rendimiento superior de AC-HA se atribuyó a la modificación de HA, que contiene un número de grupos y tiene una fuerte energía de enlace π-π con las especies de AC y Pb (II).
Okafor et al., (2015), estudiaron la eliminación de contaminantes Pb (II) del efluente de pintura utilizando mazorca de maíz químicamente activada como adsorbente, los resultados de los estudios de producción, caracterización y adsorción mostraron que la mazorca de maíz activada con un área de superficie de 1195,12 m2/g y un volumen de poro de 1,28 cm3/g se logró a 5000 ° C y una concentración de 90 mL por volumen de ácido fosfórico y cloruro de zinc como agentes activadores, dio el valor óptimo para el rendimiento característico en la adsorción de iones Pb del efluente con un modelo de isoterma de Langmuir de pseudo primer orden con ajustándose favorablemente con un coeficiente de correlación de 0,98 y una constante de velocidad de 0,00104 mgg-1min-1.
Cerro et al., (2016), prepararon carbón activado a partir de zuro de maíz, carbonizándolo a 400 °C, usando ácido ortofosfórico como activador químico, para la modificación calentaron el carbón a 600 °C y lo modificaron con HNO3 y H2O2 con el fin de observar sus texturas, los resultados demostraron que la activación incrementó y disminuyó el contenido de carbono y de oxígeno respectivamente, mientras que la modificación con HNO3 y H2O2 incremento el área de microporos desde 278,3 m2g-1 hasta 401,7 m2g-1 y 446,4 m2g-1
17 respectivamente, el pH de los carbones fue de 3 con presencia de grupos COOH (ácido carboxílico) hasta 2,12 meq g-1.
Pedrozo et al., (2011), estudiaron la adsorción de plomo y cadmio utilizando carbones activados con bagazo de caña de azúcar (BC) y zuro de maíz (ZM) mismos que se calcinaron durante 1 h a 400 °C, activados con ácido fosfórico y modificados con ácido cítrico, el área superficial de los carbones se incrementó a partir de la activación desde 3 m2/g a 369 m2/g para BC y desde 5 m2/g a 778 m2/g para el ZM, asimismo, los carbones presentaron un pH entre 2,9 a 6,5; acidez entre 1,36 meq/g a 2,12 meq/g, y capacidad de intercambio iónico de 0,070 meq/g.
Moyo et al., (2013), usaron la borla de maíz como precursor para hacer carbón activado para la adsorción de iones Pb (II), el producto obtenido se caracterizó y se utilizó para la eliminación de Pb (II) de soluciones acuosas en un amplio rango de concentración inicial de iones metálicos (10 mg/L – 50 mg/L), tiempo de contacto (5 min–300 min), dosis de adsorbente (0,1 g – 2,5 g) y pH (2–12). Se encontró que el conjunto óptimo de condiciones para la biosorción del ion Pb (II) fue la concentración inicial de 10 mg/L, dosis de 1,2 g y pH 5,4, los datos de adsorción se adaptaban mejor al Langmuir, la capacidad de adsorción de monocapa Langmuir del carbón activado se calculó en 37,31 mg/g, los resultados indican que el carbón activado presento una alta eficiencia en la adsorción de los iones Pb (II).
Xu et al., (2016) obtuvo un nuevo adsorbente potencial, el biocarbón modificado con ácido cítrico (CA), denominado CAWB, a partir de biomasa de jacinto de agua, eliminando más del 90 % del azul de metileno total (MB) en los primeros 60 minutos mediante CAWB, y la capacidad máxima de adsorción de MB podría alcanzar los 395 mg g−1; los estudios de adsorción por lotes mostraron que la concentración inicial de MB, el pH de la solución, el iónico de fondo y la temperatura podrían afectar la eficiencia de eliminación, obviamente, la fuerza, el proceso de adsorción podría describirse bien por la isoterma de Langmuir el modelo cinético de pseudo-segundo orden.
18 Akporhonor, (2011), preparo carbón de mazorca de maíz por pirólisis a 300 °C y 400 °C durante 35 min, esto fue seguido de remojo en cloruro de amonio saturado, el carbón activado que se caracterizó por la densidad aparente, el área superficial, la carga del área superficial, la resistencia a la abrasión y el pH se usó en la eliminación de Cd (II), N (II) y Zn (II). Las superficies del carbón de mazorca de maíz a 300 °C y 400 °C fueron de 0,010 g y 0,021 g de muestra por mg de yodo, respectivamente, encontró que la efectividad de las mazorcas de maíz modificadas para la adsorción de Zn> Ni> Cd en solución fueron en ese orden respectivamente, dependiendo principalmente de la temperatura de carbonización y de la concentración de iones metálicos.
Adebayo et al., (2016), estudiaron la adsorción de iones Mn (II) y Co (II) de una solución acuosa utilizando carbón activado de mazorca de maíz, los resultados mostraron que la eliminación máxima de los iones Mn (II) y Co (II) ocurrió a pH 9, el contenido de humedad y cenizas del adsorbente fue de 9,85 ± 0,06 % y 55 ± 0,1% respectivamente, se encontró que la densidad aparente era de 0,37 ± 0,01 g/m3, un índice de yodo de 367,66 ± 30 mg/g, el estudio cinético muestra que el modelo cinético de pseudo-segundo orden describe mejor la adsorción de iones metálicos.
Overah y Ifeanyi, (2017) evaluaron la semilla de Dacryodes edulis (pera nativa) como una biomasa prometedora para la eliminación de Pb (II) de la solución acuosa, estudiaron la influencia del pH de la solución, el tiempo, la dosis de biomasa y la concentración inicial de adsorbato, el modelo de Freundlich se ajustó mejor que el modelo de Langmuir, que también dio un buen ajuste cuando los datos experimentales se representaron en ambos modelos de isotermas, los resultados demostraron que a pH 5, concentración de biomasa, 50 mg/L;
temperatura 28 °C y tiempo de contacto 90 minutos, se obtuvo la capacidad de adsorción monocapa de Langmuir de 10,42 mg/g.
Águila Ramírez, (2015), estudio el efecto del carbón activado de coronta de maíz sobre las características fisicoquímicas (pH, conductividad eléctrica, dureza total, cloruros y sulfatos) de agua de lluvia, evaluaron las concentraciones de carbón activado de 2 g/L, 4 g/L y 6 g/L y tamaños de partículas de 150 µm, 210 µm y 600
19 µm, concluyeron que el carbón activado de maíz influyo en las propiedades de fisicoquímicas del agua resaltando que la concentración de cloruros se incrementó.
La investigación de Thabede et al., (2021) tuvo como objetivo utilizar semillas de Nigella Sativa funcionalizadas con magnetita y sacarosa como adsorbentes para la absorción de iones de cromo (VI) y plomo (II) de aguas residuales sintéticas, estudiaron la influencia de las condiciones operativas como la concentración inicial, la temperatura, el pH y el tiempo de contacto se determinó en el sistema de adsorción por lotes, los datos cinéticos de los iones Cr (VI) y Pb (II) en ambos adsorbentes se describieron mediante un modelo de pseudoprimer orden (PFO) que sugirió un proceso de fisisorción, la tasa de sorción de iones Cr (VI) fue más rápida, alcanzó el equilibrio en 20 min y la tasa de iones Pb (II) fue lenta en 90 min; la isoterma de Freundlich describió el mecanismo de adsorción de iones Pb (II) en compuestos, Langmuir se ajustó mejor a la captación de iones Cr (VI).
Janqui Guzman, (2018), estudio la adsorción de molibdeno de agua de ríos utilizando carbón activado de coronta de maíz obtenido por pirolisis, las variables evaluadas fueron pH y carbón activado alcanzando una remoción de 90,5 % con 0,8 g de carbón activado y a un pH inicial del agua de río de 9; sin embargo, a este mismo pH y utilizando 0,05 g de carbón, la capacidad de adsorción fue 2,22 mg Mo/g, además los datos de adsorción se ajustaron al modelo de la isoterma de Langmuir con coeficiente de 32,36 mg/g; porosidad de 60,21 % y área superficial 174,55 m2/g.
Porras Sequeiros y Martinez Suarez, (2019), evaluaron la remoción de Pb (II) de las aguas contaminadas por relaves mineros, utilizando carbón activado de coronta de maíz con diámetros de 425 µm, además, los carbones fueron activados con ácido fosfórico (H3PO4), y las variables estudiadas fueron temperatura de pirolización, tiempo de equilibrio y concentración inicial, con los valores óptimos de las variables alcanzaron un porcentaje de remoción de Pb (II) de 74 % alcanzando una capacidad de adsorción de 3,57 mg/g.
20 1.2. MARCO TEÓRICO
1.2.1. Maíz
A. Clasificación botánica
Tabla 1. Clasificación botánica del maíz.
Clasificación botánica
Reino Plantae
División Magnoliophyta
Clase Liliopsida
Subclase Commelinidae
Orden Poales
Familia Gramineas.
Género Zea
Especie Mays
Nombre científico Zea mays L.
Fuente: (Caballero Mendoza, 2019, pág. 17).
B. Descripción botánica
El maíz es una planta anual de gran desarrollo vegetativo de porte robusto (Caballero Mendoza, 2019, pág. 17).
• Raíces
Son fasciculadas y robustas permitiendo anclar a la planta con la ayuda de raíces adventicias además aportan alimentos a la planta (Caballero Mendoza, 2019, pág. 18).
• Tallos
El tallo presenta en su parte inferior entrenudos muy cortos que permite el brote de raíces y laterales, además el eje principal forma nudos y entrenudos, las longitudes varían entre 2 m a 2,50 m (Caballero Mendoza, 2019, pág. 18).
• Hojas
Característico por una lámina abierta, vaina que sale de la parte superior del nudo y cuello que es la zona de transición entre la vaina envolvente y la lámina abierta (Caballero Mendoza, 2019, pág. 18).
• Inflorescencia
El maíz es una planta monoica que presenta flores masculinas, situada en la parte superior de la planta y con forma de panícula, y flores femeninas, destinado a ser la mazorca, esta flor está compuesta por numerosas flores dispuestas en ramificaciones laterales,
21 cilíndricas y envuelta por falsas hojas, brácteas o espata (Caballero Mendoza, 2019, pág. 18).
• Mazorca
Compacta y protegida por hojas transformadas que lo cubren mayormente (Caballero Mendoza, 2019, pág. 18).
• Estructura de grano
Estructura con 300 granos a 1000 granos según el número de hileras, el diámetro y longitud de la mazorca, el peso del grano puede variar, de aproximadamente 19 g a 30 g por cada 100 granos. (Caballero Mendoza, 2019, pág. 18).
Figura 1. Morfología del maíz.
Fuente: (Valladares, 2010, pág. 5).
1.2.2. Carbón activado
Los carbones activados se caracterizan por su morfología de poro bien desarrollada, su área de superficie notablemente alta, sus tendencias anfóteras conductoras de electrones y su alta capacidad de adsorción, el carbón activado se usa ampliamente en diversas aplicaciones más allá de la adsorción para tratar diversos efluentes industriales. Actualmente, el
22 mercado global de carbón activado vale varios miles de millones de dólares anuales, el uso de carbón activado es uno de los medios más aceptables para el tratamiento de aguas residuales, también es útil como componente de la batería en la producción de condensadores, el carbón activado también puede ser útil para tratar la inhalación de gases venenosos y en aplicaciones cosméticas, como el blanqueamiento dental, finalmente, los carbones activados también son efectivos para la sobredosis de drogas, la hemoperfusión, la eliminación de toxinas endógenas, exógenas en la uremia y en el vendaje de heridas supurantes para disminuir el olor, el carbón activado puede sintetizarse a partir de materias primas, como residuos de petróleo, carbón (en particular lignito), residuos agrícolas, madera y una gama de materiales de biomasa (Ukanwa et al., 2019, pág. 2).
A. Procesos de activación de un carbón activado
En cuanto al proceso de activación, existen dos tecnologías básicas:
activación térmica (activación física) y por deshidratación química (Ukanwa et al., 2019, pág. 2).
• Activación física
Existen dos etapas: carbonización y activación del carbonizado mediante la acción de gases oxidantes como vapor de agua, dióxido de carbono, aire o mezcla de los mismos, siendo el oxígeno activo del agente activante el responsable de quemar las partes más reactivas del esqueleto carbonoso y el alquitrán retenido dentro de la estructura porosa (Bastidas y Buelvas, 2010, pág. 89).
• Activación química
En los procesos de activación química, el precursor se trata primero con un agente de activación químico, a menudo ácido fosfórico, y luego se calienta a una temperatura de 450 °C a 700 ° C en un horno de activación. Luego, el carbón se lava con agua para eliminar el ácido del carbón. El filtrado se pasa a una unidad de recuperación química para su reciclaje. El carbón se seca y el producto a menudo se tamiza para obtener un rango de tamaño de partícula específico.
Se muestra un diagrama de un proceso para la activación química de un precursor de madera (Bastidas y Buelvas, 2010, pág. 89).
23
• Activación por deshidratación química
Este método solo se aplica a materiales orgánicos, relativamente blandos y que están formados por moléculas de celulosa, como es el caso de la madera y consta de tres etapas, la primera consiste en deshidratar la materia prima mediante la acción de un químico, tal como Ácido fosfórico, Cloruro de zinc o Carbonato de potasio, en la segunda etapa se carboniza el material deshidratado a baja temperatura, en la tercera etapa, el producto resultante se lava con el objetivo de dejarlo libre del agente químico utilizado, así como para recuperar y reutilizar este último (Bastidas y Buelvas, 2010, pág. 90).
B. Carbón activado de coronta de maíz
La coronta de maíz es un material orgánico con un apreciable porcentaje de lignina, el cual es considerado desecho y tiene características tales como dureza y estructura porosa, es considerado un material alternativo para ser aplicado en procesos de adsorción.
Tabla 2. Análisis bromatológico del maíz.
Análisis bromatológico de la coronta de maíz
Parámetro (%)
Fibra 25,99
Grasa 7,29
Proteína 3,85
Humedad 9,37
Cenizas 10,87
Fuente: (Águila Ramírez, 2015, pág. 3).
C. Factores que influyen en la adsorción
Los factores que influyen en la adsorción están mencionados en la investigación realizada por (Bastidas y Buelvas, 2010, pág. 89).
• La concentración: cuanto mayor sea la concentración, mayor será el consumo de carbón.
• La temperatura: cuanto más baja sea la temperatura, mejor será la capacidad de adsorción.
• Presión: cuanto mayor sea la presión, mayor será la capacidad de adsorción.
• Humedad: Cuanto más baja sea la humedad, mayor será la capacidad de adsorción.
24
• El tiempo de contacto: en algunos casos cuando mayor sea el contacto habrá mayor adsorción, depende del material adsorbido.
1.2.3. Modificación de la superficie del carbón activado por ácido
La modificación de la química superficial de carbones porosos con ácido permite nuevas aplicaciones del carbón activado, una modificación de sus grupos funcionales, hace que el carbón activado sea empleado para distintas aplicaciones tecnológicas tales como extracción de cationes metálicos, en catálisis, o para el tratamiento de residuos y efluentes tóxicos, el carbón activado presenta en su estructura átomos de carbono con valencia mayoritariamente insaturada y, además, grupos funcionales (principalmente de oxígeno y nitrógeno) y componentes inorgánicos responsables de las cenizas, todos ellos importantes en los procesos de adsorción y catálisis, los grupos funcionales se forman durante los procesos de carbonización y activación por interacción de los radicales libres de la superficie del carbón con átomos tales como oxígeno y nitrógeno que pueden provenir del precursor o de la atmósfera, estos grupos funcionales hacen que la superficie del carbón se haga químicamente reactiva, más aún la oxidación de un carbón, que es habitual en la fabricación del carbón activado, resulta en la formación de grupos hidroxilo, carbonilo, carboxilo, entre otros, que le confiere al carbón activado un carácter anfótero, por lo que puede ser ácido o básico (Carvalho, 2016, pág. 16).
1.2.4. Ácido cítrico
El ácido cítrico es uno de los ácidos orgánicos más importantes, existen en la naturaleza en forma de polvo o cristales ortorrómbicos transparentes, sin olor, punto de fusión es de 153 ºC, densidad específica es igual a 1,665 g/cm3 a 20 ºC, puede ser extraído de frutos cítricos y desechos de piña, o puede ser producido industrialmente por fermentación de melaza (Orjuela, 2012, pág. 10).
El ácido cítrico es uno de los ácidos orgánicos más utilizados, y su producción mundial anual alcanzó los 2,1 millones de toneladas en 2016.
Se utiliza como acidulante y conservante en las industrias alimentarias, y también como agente complejante y material de partida para aplicaciones
25 funcionales. compuestos en las industrias farmacéutica y cosmética. El ácido cítrico también se utiliza como agente complejante y quelante en el tratamiento de metales, como ablandador de agua para detergentes y como agente tampón en las industrias farmacéutica y de artículos de tocador. El ácido cítrico se produce exclusivamente por fermentación con el hongo filamentoso Aspergillus niger. La producción industrial se realiza utilizando carbohidratos o residuos agroindustriales como sustratos mediante tres procesos de tipo diferente: fermentaciones sumergidas, superficiales y sólidas (Orjuela, 2012, pág. 10).
1.2.5. Adsorción
La adsorción es un proceso donde el sólido que adsorbe es el adsorbente y el material adsorbido en la superficie es el adsorbato, la selectividad común de un adsorbente entre el soluto y el fluido portador o entre varios solutos, hace posible la separación de ciertos componentes presentes en el fluido, el soluto primero se difunde desde el volumen del fluido hacia toda la superficie exterior de la partícula, el soluto se difunde desde el interior del poro hasta la superficie del mismo, por último, el soluto se adsorbe sobre la superficie, la acumulación por unidad de área es pequeña; por consiguiente se prefieren los sólidos altamente porosos con áreas internas muy grandes por unidad de volumen, generalmente las superficies son irregulares y las energías de enlace son debidas básicamente a las fuerzas de van der Waals, el nivel de actividad de la adsorción se basa en la concentración de la sustancia en el agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar (sustancia que es soluble en agua) no puede ser adsorbida por el adsorbente, por el contrario, una sustancia no polar es posible ser adsorbida por el adsorbente (Novella, 2015, pág. 7).
1.2.6. Isotermas de adsorción
El estado limitante para una sustancia que se adsorbe (adsorbato) en la adsorción es el estado de equilibrio entre su contenido en el adsorbente (la denominada actividad estática) 𝑎0∗ y su presión parcial P (o concentración 𝐶̅𝑦) en un gas de vapor o mezcla liquida, la curva de equilibrio a temperatura constante 𝑎0∗ = f (P) se denomina isoterma de adsorción y es la característica principal de la estática de un proceso, las isotermas de
26 adsorción son requisitos básicos para el diseño de sistemas de adsorción a una presión parcial relativamente alta p, el contenido del adsorbato 𝑎0∗ se aproxima a un valor constante 𝑎∞ que caracteriza el estado de la máxima saturación posible del adsorbente a la temperatura dada, la ecuación de Clapeyron muestra la proporcionalidad directa entre la concentración 𝐶̅𝑦 (en kg/m3) del adsorbato en una mezcla de gases y su presión parcial P de la siguiente manera (Ujile, 2015, pág. 113):
𝐶̅𝑦 = 𝑃
𝑅𝑇 (1) Donde:
R = la constante de gas, J/kg.k T = temperatura, K
El propósito de las isotermas de adsorción es relacionar la concentración de adsorbato en masa y la cantidad adsorbida en la interfaz, la isoterma de adsorción más simple se basa en los supuestos de que cada sitio de adsorción es equivalente y que la capacidad de una partícula para unirse allí es independiente de si los sitios adyacentes están ocupados o no, los tres modelos isotérmicos conocidos son de Langmuir, Fvieundlick y Temkin (Ujile, 2015, pág. 114).
A. Modelo de isoterma de Langmuir
𝐶𝑒 𝑞𝑒 = 1
𝑄0𝑘+ 𝐶𝑒
𝑄0 (2) Donde
Ce = es la concentración de equilibrio (mg/L) qe = es la cantidad adsorbida en equilibrio (mg/g)
Qo y K = constantes de Langmuir relacionadas con la capacidad de adsorción y la energía de adsorción.
(Ujile, 2015, pág. 114), realizó una gráfica lineal de Ce/qe versus Ce en el adsorbente, la ecuación obedece al modelo Langmuir, donde Qo y K se determinan a partir de la pendiente.
B. Modelo de isoterma de Freundlich
𝑞𝑒 = 𝑘𝑓𝐶𝑒𝑛 (3)
27 Donde
qe = cantidad de ion metálico adsorbido en equilibrio por gramo de adsorbente (mg/g)
Ce = concentración de equilibrio de iones metálicos en la solución (mg/L)
Kf y n = constantes del modelo de Freundlich.
La gráfica de log qe versus In Ce también se puede aplicar para determinar las constantes Kf y n (Ujile, 2015, pág. 116).
1.2.7. Relaves mineros
El relave de minería es roca molida y agua, la toxicidad aparece en estados posteriores, cuando ciertos relaves reaccionan con agua y solubilizan tóxicos que se transportan disueltos en agua, toda planta de concentración de minerales, produce relaves, por lo que para el tratamiento de este relave y su posterior disposición se debe contar con un área suficientemente grande para su almacenamiento, estos relaves son sólidos finos que se desechan mezclados con agua con una determinada densidad de pulpa (Rojas Villanueva, 2011, pág. 18).
A. Principales problemas que generan los relaves mineros
Los principales problemas de los relaves mineros están mencionados en el informe realizado por (Rojas Villanueva, 2011, pág. 18):
• Sólidos en suspensión y metales disueltos
• Reactivos que provienen de planta concentradora.
• Generación de aguas ácidas y lixiviación de metales a largo plazo.
• Requerimiento de grandes áreas de superficie para su almacenamiento.
B. Características físicas de los relaves mineros
• Relave de roca blanda
Están considerados los desechos de carbón fino y potasa, los cuales contiene fracciones de arena y lama, pero las lamas pueden dominar todas las propiedades por la presencia de arcilla (Rojas Villanueva, 2011, pág. 18).
• Relave de roca dura
28 Son fracciones de arena y lama, las lamas son usualmente de baja plasticidad y las arenas controlan las propiedades totales para propósitos de ingeniería, tiene como componentes al plomo, cobre, oro, plata, molibdeno y níquel (Rojas Villanueva, 2011, pág. 19).
• Relaves finos
La fracción de arena es pequeña o nula, la respuesta del material, particularmente las características de sedimentación-consolidación son dominadas por las partículas de tamaño de limo o arcilla y pueden dar problemas de volumen de disposición, los relaves finos contienen arcillas fosfáticas, limos rojos de bauxita, taconita fina y lamas de arena (Rojas Villanueva, 2011, pág. 19).
• Relaves gruesos
Contienen principalmente partículas de arenas o tamaños de limos no plásticos, exhibiendo comportamientos como la arena y generalmente características favorables de ingeniería, los relaves gruesos contienen arenas alquitranosas, relaves de uranio, relaves de taconita gsa y arenas fosfatadas (Rojas Villanueva, 2011, pág. 19).
C. Naturaleza de los efluentes líquidos de relave
La naturaleza líquida de los relaves no puede ser considerada separadamente de las características químicas del efluente líquido asociado a la planta, el diseño de los depósitos de relave no solamente es influenciado por la naturaleza de los sólidos, sino también de los efluentes; dado que el grado de conservadorismo empleado en el diseño de los depósitos de relaves, depende del riesgo que significa la deposición de los materiales, se requiere un conocimiento general de los constituyentes químicos del efluente de la planta (Rojas Villanueva, 2011, pág. 19), algunas de las peores consecuencias ambientales se han asociado con la descarga abierta de los relaves, una práctica casi universalmente rechazada en la actualidad (Wieczorek y Schiefelbein, 2013, pág. 296).
29
Figura 2. Descargas abiertas de efluentes de relaves mineros.
Fuente: (Wieczorek y Schiefelbein, 2013, pág. 296).
1.2.8. Plomo
El plomo es un metal blando, gris azulado, estable y resistente a la corrosión, sin embargo, cuando forma parte de tuberías, conexiones o soldaduras, en presencia de agua ligeramente ácida puede contaminar el agua potable, el plomo no conduce bien la electricidad, posee una temperatura de fusión baja, por lo que se le utiliza (fusible) en algunas partes de las instalaciones eléctricas; cuando la carga eléctrica excede un nivel predeterminado, se funde e interrumpe la transmisión eléctrica, este metal también ofrece protección contra la radiación, por lo que se emplea en mandiles de trabajadores de salud y en las paredes de los salones de diagnóstico y tratamiento radiológico, desde la antigüedad, el plomo ha sido usado extensamente y se le puede encontrar en casi todas las personas, aún a niveles elevados, este metal existe en forma inorgánica y orgánica, la forma inorgánica puede encontrarse en las pinturas, tierra, polvo y en otros productos de manufactura, los gases de la combustión de la gasolina, a la que se le ha agregado plomo, contiene la forma orgánica del metal (plomo tetra etilo); nuestro cuerpo absorbe esta forma más fácilmente, por lo que resulta más tóxica que la forma inorgánica, con la eliminación del plomo de la gasolina en la mayoría de países la contaminación con la forma orgánica de plomo se limita a casos de contaminación ocupacional, el Perú es uno de los cinco mayores productores de plomo en el mundo, con un volumen de exportación que continúa aumentando, las minas de las que se extrae plomo, las fundiciones y sus alrededores naturalmente sufren una mayor contaminación, a los servicios de salud pública y a los profesionales
30 les corresponde un papel activo en la educación de políticos, empresarios y del público en general, para así disminuir la posibilidad de efectos adversos asociados con la presencia, uso y comercio de este metal. Este artículo revisa las fuentes de contaminación, los efectos del plomo en el organismo humano, la evaluación diagnóstica y el tratamiento de sus efectos tóxicos (Poma, 2013, pág. 20).
1.2.9. Impacto ambiental del plomo
La presencia de metales en el ambiente se da por vía natural y antropogénica, se movilizan en matrices de agua, suelo y aire, estos metales son persistentes, es decir, no pueden ser creados o degradados, ni mediante procesos biológicos ni antropogénicamente, una vez que han entrado en los ecosistemas acuáticos, se transforman a través de procesos biogeoquímicos y se distribuyen entre varias especies con distintas características físico-químicas, por ejemplo material particulado (>0,45 µm), coloidal (1 nm - 0,45 µm) y especies disueltas (=1 nm), la materia particulada y coloidal, tanto orgánica como inorgánica, desempeña un papel clave en la coagulación, la sedimentación y en los procesos de adsorción, los cuales influyen en los tiempos de residencia y transporte de los metales trazas desde la columna de agua a los sedimentos y a otras matrices (Bose y Chakraborty, 2007, pág. 2).
31
Figura 3. Fuentes de contaminación por metales pesados.
Fuente: (Bose y Chakraborty, 2007, pág. 2).
1.3. MARCO CONCEPTUAL
• Carbón activado: Es un sólido carbonoso derivado del carbón o la biomasa a través de procesos térmicos o termoquímicos, los carbones activados se caracterizan por su morfología de poro bien desarrollada, su área de superficie notablemente alta, sus tendencias anfóteras conductoras de electrones y su alta capacidad de adsorción, el carbón activado se usa ampliamente en diversas aplicaciones más allá de la adsorción para tratar diversos efluentes industriales (Ukanwa et al., 2019, pág. 2).
• Coronta de maíz: Denominada también carozo, olote o mazorca, espiga en donde se crían los frutos muy juntos y dispuestos alrededor de un eje, en la coronta se encuentran un mayor porcentaje de antocianinas que en la cáscara del grano del maíz (Bonilla Quilumba y Usca Mendez, 2015, pág. 2).
• Adsorción: Es el proceso de acumulación de cualquier sustancia que proporciona una mayor concentración de especies moleculares en la superficie de otra sustancia en comparación con la del bulto, cuando una superficie sólida se expone a un gas o un líquido las moléculas del gas o la fase de solución se acumulan o concentran en la superficie, el fenómeno de concentración de moléculas de un gas o líquido en una superficie sólida se llama adsorción, la
32 adsorción es una técnica bien establecida y poderosa para tratar efluentes domésticos e industriales (Da̧browski, 2008, pág. 137).
• Agua de relave minero: Los relaves minerales se descargan principalmente como pulpas concentradas o lodos, por lo que el desagüe juega un papel importante en las características finales de los relaves producidos, el uso de espesantes cerca de la planta de procesamiento de mineral permite la recuperación parcial y la recirculación de agua de proceso y productos químicos a costos relativamente bajos, también ayuda a reducir la extracción de agua nueva, lo que permite menores costos operativos e impacto ambiental, la escasez de agua, debido a problemas ambientales, así como a la competencia entre varios usos, es uno de los factores que estimula la aplicación de nuevas tecnologías para la eliminación de relaves mineros (França et al., 2017, pág.
446).
• Plomo: El plomo pertenece al grupo 14 de la tabla periódica, el plomo tiene las características más metálicas de este grupo, el elemento tiene un número atómico de 82, una masa atómica de 207, dos estados de oxidación (+2 y +4) y cuatro isótopos naturales (204 Pb, 206 Pb, 207 Pb y 208 Pb), de los cuales 208 Pb es el más abundante al 52 % de la masa total, el plomo es el más abundante de los elementos de metal de transición (Baraer et al., 2007, pág. 2983).
33 CAPÍTULO II
2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. METODOLOGÍA
En el presente trabajo se realizó la investigación del tipo aplicativo y experimental, en el cual se utilizó los conocimientos adquiridos por bibliografía con el fin de dar solución a la contaminación que causa el agua de relave minero, la principal preocupación es el impacto ambiental que causa el plomo por esta razón se realizó el proceso de adsorción con carbón activado de coronta de maíz modificado la superficie con ácido cítrico para mejorar la adsorción según Vargas Cordero, (2012), el estudio también presento un enfoque cuantitativo donde se usó la recolección de datos para probar las hipótesis, con el análisis estadístico, para establecer patrones de comportamiento (Daniel, 2016, pág. 92).
2.2. DISEÑO EXPERIMENTAL
El diseño de investigación fue factorial de 32, ya que presenta el estudio de dos variables con tres niveles cada una (alto, medio y bajo), donde interactuaron las variables independientes: ácido cítrico (mL) y potencial de hidrogeno (pH), para medir la capacidad de adsorción del carbón activado de coronta de maíz, en la investigación se realizó 9 corridas experimentales, las cuales se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 3. Diseño de la investigación.
Ácido cítrico (mL)
A1 A2 A3
25 30 35
Potencial de hidrogeno
P1 3 A11 A21 A31
P2 4 A12 A22 A32
P3 5 A13 A23 A33
Fuente: Elaboración propia.
A cada prueba experimental se le realizaron 3 réplicas, para obtener mayor confiabilidad en los resultados, de los resultados obtenidos se sacó un promedio con el cual se analizó el resultado, en total se realizaron 27 pruebas experimentales, mostrados en la tabla 4.
34
Tabla 4. Réplicas de las pruebas experimentales Ácido cítrico
(mL) pH Réplica
I II III
25
3 A111 A112 A113
4 A121 A122 A123
5 A131 A132 A133
30
3 A211 A212 A213
4 A221 A222 A223
5 A231 A232 A233
35
3 A311 A312 A313
4 A321 A322 A323
5 A331 A332 A333
Fuente: elaboración propia.
El modelo de regresión que relaciona la respuesta con los niveles de los factores para este tipo de diseño es (Jose Jacobo, 2010, pág. 32):
𝑦 = 𝛽0+ 𝛽1𝑥1+ 𝛽2𝑥2+ 𝛽12𝑥1𝑥2+ 𝛽11𝑥12+ 𝛽22𝑥22+ 𝜀 𝑥1 = Factor A, en este caso representará al ácido cítrico que se medirá en mL 𝑥2 = Factor B, en este caso representará al potencial de hidrógeno.
2.3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 2.3.1. Materiales
✓ Frascos de vidrio de 500 mL
✓ Cooler
✓ Molino convencional
✓ Tamiz N° 40
✓ Vasos precipitados de 500 mL
✓ Vasos precipitados de 250 mL
✓ Pipetas de 25 mL
✓ Probeta de 500 mL
✓ Probeta de 50 mL
✓ Varillas de vidrio
✓ Lunas de reloj
✓ Morteros 2.3.2. Reactivos
✓ Ácido nítrico HNO3
✓ Ácido fosfórico H3PO4 a 25 %
✓ Ácido cítrico C6H8O7 1M
35
✓ Hidróxido de sodio NaOH 1 M
✓ Ácido clorhídrico HCl 1M
✓ Agua destilada 2.3.3. Equipos
✓ Horno
✓ Estufa
✓ Mufla
✓ Agitador magnético
✓ Microscopio electrónico de barrido (SEM)
✓ Potenciómetro
2.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.4.1. Muestreo de agua de relave minero y preparación de carbón activado Para evaluar el efecto del peso del carbón activado y el efecto del tiempo de contacto en la adsorción del plomo con carbón activado de coronta de maíz se realizaron las actividades siguientes.
A. Muestreo del agua de relave minero
El muestreo fue del agua de relave minero de la mina Animon de la compañía minera Chungar S. A. C. en Cerro de Pasco, se tomó 25 L de muestra para los análisis necesarios que se hicieron en el laboratorio, se extrajo de la parte del agua perfectamente mezclada, para el procedimiento de muestreo se tomó como base guía al Protocolo de Monitoreo de calidad de efluentes y aguas superficiales en las actividades minero metalúrgicas (MINAM, 2011, pág. 16).
• Se contó con guantes de látex, mascarilla, botas de jebe y ropa impermeable para la debida protección personal.
• Se rotuló los frascos de vidrio de 500 mL, el cual tuvo (fecha y hora exacta).
• Se enjuago 3 veces el frasco antes de tomar la muestra.
• Se tomó la muestra hasta el ras para evitar que contenga burbujas.
• Se preservó la muestra con HNO3 hasta un pH < 2 (4 mL o 80 gotas HNO3/L de muestra).
36
• Se colocaron los frascos tapados en el cooler con ice pack que fueron transportados al laboratorio LABECO Análisis ambientales S. C. R.
L. lo más antes posible.
B. Preparación del carbón activado
Para la obtención del carbón activado se recolectó 5 kg de la coronta de maíz, el cual se adquirió como producto de un mercado mayorista de la ciudad de Huancayo, para posteriormente se realizó la preparación del carbón activado, siguiendo lo propuesto en la investigación realizada por (Porras Sequeiros y Martinez Suarez, 2019, pág. 50).
• Se lavó la coronta de maíz con abundante agua destilada para eliminar las impurezas, azucares, sales y aceites esenciales.
• Después se secó a temperatura ambiente durante 72 horas, luego se cortaron en trozos pequeños obteniendo un tamaño regular y uniforme.
• Una vez obtenido los trozos de coronta de maíz se trituraron en un molino, posterior a ello se tamizó para obtener partículas de 425 µm con tamiz Nº 40.
• Después 100 g de coronta triturado se mezcló con 900 mL (guardando una relación de 1:9) de ácido fosfórico (H3PO4) a una concentración de 25 %, que se obtuvo afornado312,5 mL de ácido fosfórico al 80 % en un 1 L de agua destilada, obtenido al aplicar la formula (1), a continuación, se realizó la mezcla durante 4,5 horas mediante el sistema Bach para la impregnación y homogenización.
𝐶2𝑉2 = 𝐶1𝑉1 (4) Donde:
𝐶1 es la concentración de H3PO4 – 85 %
𝐶2 es la concentración de H3PO4 que se desea preparar– 25 % 𝑉1 volumen a extraer del H3PO4 al 85 %
𝑉2 volumen del H3PO4 a 25 % que se desea preparar
• La siguiente etapa fue la pirolización, la mezcla se colocó en morteros para ponerlos a la estufa por 16 horas para su deshidratación, luego de esto se procedió a ponerlos a la mufla por
37 60 min a la temperatura de 500 ºC.
• El carbón activado producido se enfrió y se lavó repetidas veces con agua destilada para eliminar las trazas residuales del agente activador hasta obtener un pH relativamente ácido.
• Continuando con el proceso se procedió a colocar en el horno a 105
°C durante 24 horas, después se almacenó para su posterior uso.
Figura 4. Procedimiento del muestreo del agua de relave minero y de la realización del carbón activado.
Fuente: Elaboración propia.
2.4.2. Modificación de la superficie del carbón activado de coronta de maíz con ácido cítrico
La modificación de la superficie del carbón activado de coronta de maíz con ácido cítrico se realizó tomando como guía la investigación realizada por (Satapathy y Natarajan, 2010, pág. 1980).
• Se lavó con agua destilada para eliminar el polvo fino, luego se dejó secar en un horno a 110 °C durante 2 h.
• El carbón activado se hizo reaccionar con una solución de ácido cítrico 1 M, obtenido al diluir 96,06 g en 0,5 L de agua destilada según la formula (4), en una proporción de 4 g de carbón activado a 25 mL, 30 mL y 35 mL de solución de ácido cítrico después se agitó durante 30 minutos, luego se dejó secar a 50 °C durante 1 h.
𝑀 = 𝑤 𝑃𝑀
𝑉 (5)
38 Donde:
M: molaridad
W: peso del ácido cítrico que se halló mediante la formula PM: peso molecular del ácido cítrico
V: volumen de ácido cítrico a preparar
• El carbón activado modificado con ácido cítrico se lavó con agua destilada hasta que no se pudo observar turbidez.
• El carbón activado modificado se secó a 110 °C durante 2 h, luego se lavó continuamente con una solución de hidróxido de sodio 1 M, obtenido al diluir 4 g en 100 mL siguiendo la formula (4), durante 2 h.
• Se lavó con agua destilada para eliminar el exceso de hidróxido de sodio hasta que no se pudo detectar una variación de pH en el líquido lavado.
• Finalmente, el carbón activado modificado se secó a 110 °C durante 2 h.
2.4.3. Caracterización de la superficie de carbón activado modificado La caracterización de las áreas de superficie específicas de las muestras de carbón activado se determinó utilizando la microscopía electrónica de barrido (SEM), el SEM es una técnica donde se obtienen imágenes ampliamente que son utilizadas en investigación de materiales debido a su alta resolución y capacidades de analizar características morfológicas, estructurales y químicas de las muestras bajo estudio, el cual nos permitió la observación directa de cualquier cambio en la microestructura de la superficie de los carbonos activados que ocurrió debido a la modificación del ácido cítrico (Clavijo, 2013, pág. 137).
39
Figura 5. Modificación de la superficie del carbón activado.
Fuente: Elaboración propia
2.4.4. Ensayo de adsorción de plomo
• Se usaron vasos precipitados de 500 mL en donde se añadió 260 mL del agua de relave minero.
• Se agitó las muestras con ayuda de una varilla de vidrio y se midió el pH inicial de las muestras y posteriormente se modificó el pH inicial llevándolo a un valor de 3, 4 y 5 para ello se usó los reactivos de NaOH a 1M y gotas de HCl químicamente puro.
• A las muestras de agua de relave minero se agregó 2 g de los adsorbentes modificados a 25 mL, 30 mL y 35 mL de solución de ácido cítrico con tiempo de contacto de 60 min.
• Terminado la adsorción se filtraron las aguas de relave minero tratadas y se mandaron a analizar la concentración de Pb (II) en el laboratorio SLab.
2.4.5. Determinación del modelo de equilibrio de adsorción
Para la determinación del modelo de equilibrio de adsorción de plomo de agua de relave minero con carbón activado de coronta de maíz modificado
40 con ácido cítrico se tomó como guía la investigación realizada por (Porras Sequeiros y Martinez Suarez, 2019, pág. 174).
• Se usaron vasos precipitados de 500 mL en donde se añadió 260 mL del agua de relave minero.
• Se agitó las muestras con ayuda de una varilla de vidrio y se midió el pH inicial de las muestras y posteriormente se modificó el pH inicial llevándolo a un valor de 5 para ello se usó los reactivos de NaOH a 1M y HCl a 1M.
• Para determinar el equilibrio de adsorción del plomo usando carbón activado modificado de coronta de maíz, se realizó en función de los puntos de la cantidad de adsorbente (0,5 g, 1 g y 1,5 g) con tiempo de contacto de 60 min, se desarrolló la siguiente ecuación de equilibrio de adsorción con los datos que se obtendrán.
𝑞𝑒 =(Co− Ce) × 𝑉
W (6)
𝑞𝑒= Cantidad de iones metálicos adsorbidos en el equilibrio (mg/g).
Co= Concentración inicial (mg/L).
Ce= Concentración en el equilibrio (mg/L).
V= volumen de la solución (L).
W= masa del adsorbente (g) A. Isotermas de adsorción:
En base a la ecuación desarrollada en el equilibrio de adsorción, se estudió los modelos de isoterma de adsorción principales, el cual se evaluó mediante un ajuste de curva no lineal, los modelos que se estudiaron fueron:
• Isoterma de Langmuir
𝑞𝑒 =𝑞𝑚á𝑥× 𝑏 × 𝐶𝑒
(1 + 𝑏 × 𝐶𝑒) (7)
𝑞𝑒= Cantidad de iones metálicos adsorbidos en el equilibrio (mg/g).
𝑞𝑚á𝑥= capacidad máxima de adsorción (mg/g).
𝐶𝑒= concentración de equilibrio del metal en solución (mg/L).
𝑏= Constante de Langmuir
• Isoterma de Freundlich
41 𝑞𝑒 = 𝑘𝐹× 𝐶𝑒
1
𝑛 (8)
𝑞𝑒= Cantidad de iones metálicos adsorbidos en el equilibrio (mg/g).
𝑘𝐹= Constante de Freundlich.
𝐶𝑒= concentración de equilibrio del metal en solución (mg/L).
𝑛= Intensidad de adsorción
B. Porcentaje de adsorción del plomo (II):
El porcentaje de adsorción de plomo se halló mediante la aplicación de la siguiente fórmula:
% de Remocion = (Co− Cf)
Co x 100 (9) Siendo:
Co = Concentración inicial mg/L.
Cf =Concentración final mg/L.
Figura 6. Determinación del equilibrio de adsorción.
Fuente: Elaboración propia.
42 Esquema experimental
Figura 7. Esquema experimental.
Fuente: Elaboración propia
43 CAPÍTULO III
3. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1. Resultados
3.1.1. Concentración inicial de Pb (II) en las aguas de relave minero
Las aguas de relave minero de la mina de Animon fueron analizadas en el laboratorio LABECO por Espectrometría de absorción atómica de llama con el método directo de llama aire-acetileno, los resultados enviados por el laboratorio se encuentran en el informe de ensayo N° 0287-21 (Véase anexo A-1)
Las aguas de relave minero presentaron una concentración de Pb (II) de 3,62 mg/L y presentando una temperatura y pH de 13 °C y 7,66 respectivamente.
Figura 8: Concentración de Pb (II) presente en el agua de relave de la mina Animon Fuente: Elaboración Propia
La concentración inicial de Pb (II) de las aguas de relave minero exceden el LMP para este metal de 0,2 mg/L propuesto en el D.S. 010-2010- MINAM, por lo cual es necesario la aplicación de un tratamiento eficiente para el tratamiento de las aguas de relave minero.
44 3.1.2. Adsorción de Pb (II) con carbón activado de coronta de maíz
Con los carbones activados de coronta de maíz modificados con 25 mL, 30 mL y 35 mL de ácido cítrico y modificando los pH de las aguas de relave minero se realizó ensayos de adsorción evaluando la variación de la concentración de Pb (II) en las aguas de relave minero tratado.
Las aguas de relave minero tratado fueron analizadas mediante ICP-MS (espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente) en el laboratorio Slab Laboratorio de ensayo e investigación, los informes de ensayo IE-010342-01 (Véase el anexo A-2), IE-010351-02 (Véase el anexo A-3) y IE-010358-03 (Véase el anexo A-4) presentan los resultados de la réplica I, II y III respectivamente, el resumen de los resultados se presenta en la tabla 5.
Tabla 5. Concentración final de Pb (II) de las aguas de relave minero tratadas
Ácido cítrico
(mL) pH Concentración de Pb (II) (mg/L)
R-I R-II R-III
25
3 2,08 2,11 2,13
4 1,73 1,70 1,72
5 1,01 1,07 1,00
30
3 1,53 1,49 1,51
4 1,34 1,32 1,33
5 0,76 0,72 0,82
35
3 1,38 1,42 1,40
4 1,05 1,09 1,03
5 0,38 0,34 0,32
Fuente: elaboración propia.
En la tabla 5 se observa que la mayor concentración de Pb (II) de las aguas de relave minero tratadas fue de 2,13 mg/L al tratar el agua con un pH de 3 y con carbón activado de coronta de maíz modificado con 25 mg/L de ácido nítrico en la réplica III, mientras que la menor concentración de Pb (II) en el agua de relave minero tratado fue de 0,32 mg/L, cuando el pH del agua fue de 5 y al utilizar carbón activado de coronta de maíz modificado con 35 mg/L de ácido nítrico en la réplica III.
Los resultados de las tres réplicas presentaron desviaciones estándar que oscilaron entre 0,01 a 0,56 por ende se halló un promedio de las concentraciones de Pb (II) para cada tratamiento.
45 Tabla 6. Concentración de Pb (II) promedio de las aguas de relave minero tratadas
Ácido cítrico (mL)
A1 A2 A3
25 30 35
pH
P1 3 2,11 mg/L 1,51 mg/L 1,40 mg/L P2 4 1,72 mg/L 1,33 mg/L 1,06 mg/L P3 5 1,03 mg/L 0,77 mg/L 0,35 mg/L
Fuente: Elaboración propia
En la tabla 6 se observa que la mayor concentración promedio de Pb (II) en las aguas de relave minero tratada con carbón activado de coronta de maíz fue de 2,11 mg/L concentración obtenida al modificar el pH del agua a 3 y al modificar el carbón activado con 25 mL de ácido cítrico, sin embargo al aplicar 35 mL de ácido cítrico la concentración promedio del Pb (II) fue de 1,40 mg/L; al modificar el pH del agua de relave a 4, la concentración promedio de Pb (II) fue de 1,72 mg/L cuando se aplicó carbón activado modificado con 25 mL de ácido cítrico, mientras que aplicar carbón activado modificado con 35 mL de ácido cítrico la concentración promedio de Pb (II) fue de 1,06 mg/L en el agua tratada;
finalmente al modificar el pH de agua de relave minero a 5, la menor concentración promedio de Pb (II) lecturada fue de 0,35 mg/L cuando se utilizó carbón activado de coronta de maíz modificado con 35 mL de ácido cítrico.
Para la comprensión del comportamiento de las variables sobre la concentración promedio de Pb (II) de las aguas de relave minero tratadas se realizó un gráfico de dispersión, tal como se presenta en la figura 9.
