Autores
Parra Reyes, J.A. (UNIVERSIDAD DEL CAUCA) ; Pérez, E.H. (UNIVERSIDAD DEL CAUCA)
Resumo
Se evaluó la aplicación de los DoE Plackett-Burman y Box-Behnken en la capacidad
de adsorción de la fibra de fique en la remoción de Hg2+ en muestras de agua,
optimizando los factores que tienen más efecto significativo. Posteriormente se
determinó los modelos matemáticos que explican la isoterma de adsorción y el
modelo cinético que sigue el Hg2+ al interaccionar con el fique. Los resultados
obtenidos muestran que la fibra de fique presenta una buena capacidad de adsorción
de Hg2+, el cual se ajustó al modelo de Freundlich que explica un proceso de
biosorción multicapa en superficies heterogéneas, con una capacidad máxima de
adsorción 8,60 mg/g. Así mismo, el modelo cinético que mejor se ajusto fue el de
Elovich, lo que indica que hay quimisorción de este metal en la fibra de fique.
Palavras chaves
Fique; Biosorción; Mercurio
Introdução
El mercurio es un metal tóxico, el cual forma amalgamas con metales como: oro,
plata, cobre y potasio entre otros, que se liberan de forma natural al ambiente
como resultado de la ruptura de minerales de rocas y suelos por exposición al
viento y agua, sin embargo, debido a actividades antropogénicas se incrementa su
presencia en el agua principalmente la minería (FOWLER & ZALUPS, 2022).
Las tecnologías de tratamiento de aguas superficiales empleadas actualmente para
la remoción de metales pesados son la precipitación química, intercambio iónico,
filtración con membrana y procesos electroquímicos entre otras, siendo estas
eficientes en la remoción de metales, pero a su vez producen lodos que contienen
compuestos tóxicos cuya disposición final es difícil de controlar, generando
costos elevados por su almacenaje (KANAMARLAPUDI et al., 2018).
En busca de desarrollar sistemas amigables con el ambiente para la mitigación de
contaminantes en efluentes, se han trabajado con tecnologías verdes que tienen
como características su naturaleza económica, reutilización y biodegradabilidad
de materias primas, dentro de las cuales se destacan la utilización de algas,
los hongos, las cepas bacterianas y principalmente los desechos y residuos
agrícolas (ADENIYI & IGHALO, 2019).
Por lo tanto, se planteó en este trabajo estudiar el uso del residuo
agroindustrial de la fibra de fique como biosorbente en la remoción de mercurio
en muestras de agua, optimizando mediante los diseños experimentales (DoE) de
Plackett Burman y Box-Behnken las condiciones fisicoquímicas para lograr la
mayor remoción de este metal, además de estudiar el modelamiento de la
biosorción del metal mediante ecuaciones matemáticas que describen las distintas
isotermas de adsorción y modelos cinéticos.
Material e métodos
Para identificar los factores con mayor efecto significativo en el proceso de
biosorción de Hg2+ en el residuo de la fibra de fique, se utilizó un diseño de
Plackett-Burman para descartar las variables que no son significativas en este
proceso (Tabla 1). Una vez verificados los parámetros que más influyen en la
biosorción, se desarrolló un diseño experimental Box-Behnken con el fin de
encontrar los valores óptimos de las variables para implementar el proceso de
biosorción, determinándose posteriormente la máxima capacidad de adsorción. Los
datos experimentales obtenidos fueron ajustados a los modelos matemáticos de
Langmuir, Freundlich, Redlich-Petersone y Sips, determinando la capacidad máxima
de adsorción y la afinidad del biosorbente para Hg2+, basándose en el modelo con
el mejor ajuste lineal de acuerdo con el coeficiente de determinación.
Para evidenciar la cinética de biosorción de se mantuvo constante los parámetros
optimizados excepto el tiempo con el fin de determinar la influencia de este en
el proceso de biosorción, aplicando las ecuaciones de pseudo-primer orden,
pseudo-segundo orden y Elovich para determinar cuál de las ecuaciones describe
mejor el proceso de biosorción de mercurio.
La cuantificación de Hg2+ se realizó con un espectrofotómetro de absorción
atómica con accesorio de ionización por vapor frio, los resultados se analizaron
con un nivel de confianza ˃ 95% y empleando el software estadístico IBM SPSS
STATISTICS versión 23.
Resultado e discussão
Los datos obtenidos del diseño de Plackett-Burman ANOVA (tabla 2) muestran que
el factor del volumen de solución es el más significativo (p < 0,05) para la
biosorción de Hg2+ y se corrobora gráficamente mediante el uso del diagrama de
Pareto (figuras 1) Sin embargo, la fibra de fique tiene una alta capacidad de
retención de agua, lo que disminuye el volumen que puede cuantificarse en la
solución, lo que genera mayor error en la determinación de Hg2+. Por lo tanto,
se dejan fijos los factores de volumen (30,0 mL), temperatura (25,0 °C) y
cantidad de absorbente (1,0000 g).
La optimización de los factores pH, tiempo y tamaño de partícula mediante el
empleo del diseño Box-Behnken muestra que el tiempo es el factor que más influye
en la biosorción de este metal, debido a que su interacción cuadrado es el
efecto más significativo, de acuerdo con ANOVA (tabla 3) y Pareto (figura 2),
además la gráfica de probabilidad normal (figura 3) muestra que el tiempo
presenta un coeficiente negativo, por lo que a un valor bajo o intermedio del
factor se aumenta el porcentaje de adsorción. Teniendo en cuenta los resultados
obtenidos, los parámetros optimizados son un pH de 4,0, tiempo de 248 minutos y
tamaño de partícula 200 µm, como se aprecia en el gráfico de superficie de
respuesta (figura 4).
Los estudios de adsorción mostraron que la fibra de fique presenta un porcentaje
de adsorción superior al 88 % de cada uno de los niveles de concentración
estudiados, encontrando que la isoterma que mejor se ajusta al comportamiento
del proceso es la de Freundlich (figura 5) y el modelo cinético de Elovich
(figura 6), lo que permite sugerir que la biosorción se genera en multicapa, con
superficie heterogénea e interacciones de quimisorción entre el metal y la
fibra.
Conclusões
La aplicación de DoE genero las condiciones óptimas de cada factor que permitió
obtener el mayor porcentaje de adsorción de Hg2+ en agua, que permite obtener
resultados reproducibles y estadísticamente significativos. El modelamiento de
biosorción muestro que la fibra de fique presenta una buena capacidad de adsorción
de Hg2+, ajustándose a los modelos de Freundlich y Elovich que explican procesos
de biosorción química, en multicapa y heterogénea con una capacidad máxima de
adsorción de 8,60 mg/g.
Agradecimentos
Al departamento de química, grupo de Agroquímica, la Unidad de Análisis
Industriales y el laboratorio de Análisis Ambientales SENA Cauca por permitir
realizar análisis en sus instalaciones.
Referências
ADENIYI, A. G.; IGHALO, J. O. Biosorption of pollutants by plant leaves: An empirical review. Journal of Environmental Chemical Engineering, n. 7, p. 103100, 2019.
FOWLER, B. A.; ZALUPS, R. K. Mercury. In Handbook on the Toxicology of Metals, p. 539–599, 2022.
KANAMARLAPUDI, S. L. R. K., CHINTALPUDI, V. K.; MUDDADA, S. Application of Biosorption for Removal of Heavy Metals from Wastewater. In Biosorption, p. 69–116, 2018.
