Autores
Maldonado Farfan, A.R. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO) ; Fernandez Bernaola, U.R. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO) ; Vargas Robles, R.V. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO) ; Villasante Muñoz, J.G. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO)
Resumo
El objetivo fue evaluar el potencial uso del kikuyo activado por hidrólisis ácida y básica
como bioadsorbente (BK) de Cr (III) de aguas contaminadas. BK fue caracterizado por FTIR,
SEM y BET En el proceso de adsorción se evaluaron la influencia de las variables
granulometría del BK (T) dosis del BK (D) y pH de la solución contaminada sobre la capacidad
de adsorción (Y, en mg/g) en aguas simuladas. Se estudió la cinética del proceso, la
posibilidad de regeneración del BK y la capacidad de adsorción (Y) en efluentes de la
industria peletera. Se obtuvieron Ymáx de 47.9 y 37.6 mg/g en aguas sintéticas y efluentes
de peleterías, respectivamente. Los datos experimentales mostraron bondad de ajuste al
modelo cinético de pseudo segundo orden. Es posible regenerar el BK a pH 3 con Y de 28,7
mg/g.
Palavras chaves
Bioadsorción; cromo (III); kikuyo
Introdução
El cuidado del ambiente es una necesidad y un requerimiento del desarrollo
sustentable, el mismo que se ha constituido en uno de los paradigmas de la
sociedad moderna. Las industrias curtiembres y peleteras son de alta
significancia ambiental por la presencia de Cr(III) y Cr(VI) en sus efluentes
lo cual le confiere al recurso hídrico una carga contaminante significativa que
causa impactos ambientales negativos (PINZÓN-BEDOYA & VERA, 2009). El
tratamiento de estos efluentes se puede lograr mediante procesos de tratamiento
convencionales como precipitación química, flotación, intercambio iónico,
separación de membranas, electrocoagulación, adsorción (SÁNCHEZ-PONCE, 2018);
dentro de ellos la bioadsorción que es un fenómeno fisicoquímico, durante el
cual las partículas de un soluto en disolución, se acumulan sobre la superficie
de una biomasa (viva o muerta). El Perú, cuenta con una amplia gama de especies
vegetales que resultan interesantes para ser estudiada como bioadsorbentes en la
remoción de contaminantes en agua. Se sugiere reorientar los esfuerzos de
estudio principalmente sobre aquellas especies de plantas que se consideran
malezas, las que son de crecimiento por temporada de lluvia, aquellas que no
exhiben uso de aplicación terapéutica medicinal o bien, que no están registradas
en la medicina tradicional del país de origen. Las biomasas presentan en sus
estructuras grupos funcionales químicos que retienen el contaminante a través de
atracciones de tipo eléctrico, de Van Der Waals o de naturaleza química
(BADESCU, et.al,2018 y QIN, et.al., 2020). Por otro lado, como se conoce
aproximadamente el 60%-90% de la biomasa está compuesta por sustancias
poliméricas que pueden formar complejos estables con metales pesados a través de
sus grupos funcionales ácidos carboxílicos, fosfatos, sulfatos, aminas, amidas
(LI et al., 2020; XU et al., 2018). Es interesante notar que las propiedades y
características de la superficie del material natural empleado como adsorbente
dependen entre otros aspectos del tratamiento previo que se haga al material,
que incrementa el rendimiento de adsorción (VALLADARES-CISNEROS et al., 2017).
Así, el tratamiento ácido o básico de los biomateriales permite incrementar su
capacidad de adsorción debido a una ruptura de sus cadenas poliméricas y al
afloramiento de un mayor número de grupos funcionales iónicos (FERNÁNDEZ-
BERNAOLA & MALDONADO-FARFÁN, 2019). Por lo tanto, la investigación tuvo como
objetivo evaluar la capacidad de bioadsorción de Cr (III) de aguas contaminadas
usando la biomasa residual de Pennisetum clandestinum Hochst (kikuyo) activada
mediante hidrólisis ácida y básica.
Material e métodos
5 Kg de Pennisetum clandestinum Hochst (kikuyo), fueron recolectados de los
jardines de la Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco (UNSAAC), los
que se sometieron a operaciones de selección, lavado con agua desionizada,
secado en estufa de convección forzada KYNTEL a 80 °C por 24 horas, pesado y
molienda. La biomasa obtenida se activó en un equipo soxhlet mediante hidrólisis
ácida (H2SO4 1,25%) por 60 minutos y posterior secado; seguido por hidrolisis
básica (NaOH 3.25%) por ese mismo tiempo y posterior secado. Se procedió a
tamizar en las mallas Tyler estándar Nº 70, 100 y 140. El BK y el BK saturado
con Cr (III) fueron caracterizados mediante las técnicas de Espectroscopia
Infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) en el espectrofotómetro Perkin
Elmer Spectrum 10- Origen, BET (Branaure-Emmet-Teller) en el analizador de área
de superficie Micrometrics y microscopia electrónica de barrido (SEM/EDS) Fei
Quanta 650 modelo Octane Pro y en el difractómetro de rayos X marca Bruker. Se
preparó una solución stock estándar con una concentración de 250 ppm de Cr (III)
a partir de la sal Cl3Cr. 6H2O al 96% (Sigma-Aldrich). Las experiencias se
realizaron en un equipo de prueba de jarras Daihan Scientific a partir de
soluciones simuladas de 50 mg/L Cr (III), volumen de 300 ml, velocidad de
agitación a 150 rpm y por un tiempo de 2 horas. Se estudiaron las variables T
(100, 150 y 200 µm), D (0.5, 0.75 y 1 g/L) y pH de la solución contaminada (4.8,
5.15 y 5.5) considerando un diseño factorial 23 con tres puntos medios y dos
réplicas (33 tratamientos). El contenido de Cr (III) residual se analizó en un
Espectrofotómetro de Absorción Atómica de Flama marca Thermo Scientific modelo
AA ICE 3300. Los datos obtenidos fueron tratados estadísticamente con el
software Statgraphics 18-X64, determinando el efecto de las variables y el
modelo matemático de predicción. Se establecieron los parámetros del proceso,
considerando aquellos que lograron mayor capacidad de adsorción de Cr (III). A
estas condiciones se prosiguió con el estudio cinético, la posibilidad de
regeneración del bioadsorbente y la determinación de Y de Cr (III) del efluente
de la peletería ASAPES. La cinética de adsorción de Cr (III) sobre BK fue
analizada usando los modelos cinéticos de pseudo primer orden (Lagergren, 1898),
pseudo segundo orden ((Ho et al., 2000) y modelo Elovich (Yakout y Elsherif
2010). Los datos experimentales se obtuvieron tomando alícuotas de 10 ml a
diferentes tiempos. Las pruebas de regeneración consistieron en desorber el Cr
(III) del BK saturado con 25 ml de agua destilada a diferentes pH (3,4,8 y 9) en
un shaker de marca ORBITAL modelo MU-E25-91146 por un periodo de 2 horas, se
dejó secar y posteriormente se evaluó Y de Cr (III). Finalmente, se desarrolló
el proceso de adsorción con una muestra compuesta recolectada de la peletera
ASAPES.
Resultado e discussão
Se logró estimar que un gramo de biomasa de kikuyo presenta 0,0303 m2 de
superficie específica, que se incrementa a 0,4268 m2 (1308,58%), debido al
tratamiento de hidrólisis ácida y básica, que provoca una ruptura de sus cadenas
poliméricas y al afloramiento de sus grupos funcionales iónicos (FERNÁNDEZ-
BERNAOLA & MALDONADO-FARFÁN, 2019). Estos valores de superficie específica, son
bajos, típicos de estos tipos de biomateriales (BASHA,2008). En la figura 1 se
presentan los espectros FTIR de B, BK y BK saturado con Cr (III),
respectivamente, donde se observa gran cantidad de picos de absorción, que
caracterizan la presencia de los grupos funcionales C-H, -C=C-, -C=O y -C-O-
confirmando su naturaleza lignocelulósica. La diferencia entre ellos se da en
los % de transmitancia que evidenciarían la mejor disposición de los grupos
funcionales en el BK y su apantallamiento con Cr (III) en la adsorción debido a
la complejación con grupos funcionales que contienen oxígeno como el grupo
hidroxilo y atracción electrostática empleando carbonilo (HO, et. Al., 2019);
lo que confirmaría que la adsorción es de naturaleza química Las micrografías
morfológicas del BK y el BK saturado con Cr(III) muestran una estructura formada
por placas rugosas horizontales con presencia de cavidades en la superficie
distribuidos aleatoriamente y una estructura más ordenada en forma de panal
respectivamente que podría deberse a la saturación de los poros con Cr (III). El
análisis elemental confirma la presencia de Cr (III) en el BK saturado (1.02%).
Los resultados de las pruebas de adsorción indicaron que las tres variables en
estudio resultaron significativas (p-valor<0.05); siendo la de mayor efecto
sobre la capacidad de adsorción, la D (Figura 2). Se obtuvo Ymax de 47,9 mg/g en
aguas sintéticas a condiciones de pH 5.5, D de 0.5 g/L y T de 100 μm. Este
resultado concuerda con lo informado por KRATOCHVIL, (2000), quien estudió la
remoción de Cr (III) con el alga marina sargassum (40 mg/g) y supera la
perfomance (11.85 mg/g ) cuando el bioadsorbente de Cr (III) es Saccharomyces
cerevisiae (HUSEYIN et.al., 2000) Los datos del estudio cinético indican que Y
aumenta con el tiempo y que en menos de 80 minutos se alcanzó el equilibrio
(Y=41.42 mg/g).. El modelo cinético de pseudo segundo orden es el que se ajusta
mejor a los datos experimentales (k=0.176 g/mg min) y explican el 99,95% de la
incertidumbre. Esto da evidencia de que el mecanismo de adsorción es la
quimisorción que se basa en la influencia de las fuerzas de valencia a través de
la compartición o intercambio de electrones entre los iones de Cr (III) y la
materia orgánica (STARON, et. al., 2017). En comparación el valor de k del BK,
supera al de la biomasa residual de la rosa (K= 0.0391 g/mg min) reportado por
IFTIKHARA (2009), lo que indicaría que en el BK existe más superficies
disponibles lo que conduce a una adsorción de Cr (III) más rápida.
De las pruebas de regeneración se obtuvo que a pH 3 se logró desorber el 81.41%
de Cr (III) presente en el BK; mostrando Y de 28.7 mg/g. Se logró Y de Cr (III)
de los efluentes de la industria peletera ASAPES, de 37.6 mg/g que constituye el
78.5 % de Y con aguas simuladas.
Conclusões
Se demostró que la biomasa residual de kikuyo activada por hidrólisis ácida y
básica es efectiva en la remoción de Cr (III) de aguas contaminadas; los análisis
FT-IR y SEM/EDS identificaron la presencia de Cr (III) en el bioadsorbente. En el
proceso de adsorción resultaron significativas las tres variables en estudio (pH,
D y T); sobre la capacidad de adsorción, a condiciones de pH 5.5, dosis de
bioadsorbente de 0.5 g/L y tamaño de bioadsorbente de 100 μm. Se logró Ymáx de
47.9 mg/g y 37.6 mg/g en aguas simuladas y reales respectivamente. Es posible su
regeneración a pH 3. Por tanto, los resultados de esta investigación pueden ser
aplicados en la remoción de Cr (III) de los efluentes de curtiembres, con lo que
no solo se plantea la posibilidad de aprovechamiento de las biomasas residuales;
sino también de abaratar los costos de tratamiento de los efluentes.
Agradecimentos
Al Instituto de Investigación Universidad y Región (IIUR-UNSAAC), la Universidad
Nacional de San Antonio Abad del Cusco-Perú y Pro-Ciencia del Consejo Nacional de
Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnológica (CONCYTEC).
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