ESTUDIO DE LA BIOSORCIÓN DE COBALTO Y NÍQUEL CON LA …
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PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO QUÍMICO PRESENTA: DAYRA MARGARITA SÁNCHEZ NAVA ASESOR EXTERNO: DR. HILARIO DOLORES LÓPEZ GONZÁLEZ (ININ) ASESOR INTERNO: M. en C. ERIKA GARCÍA DOMÍNGUEZ (TESSFP) SAN FELIPE DEL PROGRESO, ESTADO DE MÉXICO, ABRIL DE 2018 TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE SAN FELIPE DEL PROGRESO Organismo Público Descentralizado del Gobierno del Estado de México “ESTUDIO DE LA BIOSORCIÓN DE COBALTO Y NÍQUEL CON LA PENCA DE MAGUEY” T E S I S P R O F E S I O N A L
Transcript of ESTUDIO DE LA BIOSORCIÓN DE COBALTO Y NÍQUEL CON LA …
PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO QUÍMICO
PRESENTA:
DAYRA MARGARITA SÁNCHEZ NAVA
ASESOR EXTERNO:
DR. HILARIO DOLORES LÓPEZ GONZÁLEZ (ININ)
ASESOR INTERNO:
M. en C. ERIKA GARCÍA DOMÍNGUEZ (TESSFP)
SAN FELIPE DEL PROGRESO, ESTADO DE MÉXICO, ABRIL DE 2018
TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE SAN FELIPE DEL PROGRESO Organismo Público Descentralizado del Gobierno del Estado de México
“ESTUDIO DE LA BIOSORCIÓN DE COBALTO Y NÍQUEL
CON LA PENCA DE MAGUEY”
T E S I S P R O F E S I O N A L
~ II ~
~ III ~
~ IV ~
~ V ~
El presente trabajo de tesis se llevó a cabo en las instalaciones del
Departamento de Química del Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares (ININ).
A través del proyecto “Parámetros que influyen sobre la
separación de especies nucleares, inertes o microbiológicas
consideradas contaminantes de medios acuosos por compuestos de
naturaleza variada y mecanismos asociados”. Etapa II CB-505.
~ VI ~
DEDICATORIA
A Dios:
Por tenerme hoy de pie para permitirme cumplir los anhelos de mi corazón, simplemente, gracias
por lo que me diste, por lo que te pedí y no me diste, porque sabias que no era lo mejor para mí.
Porque seguramente entiendes de emoción.
A mi padre:
Isaac Sánchez por lo que me has enseñado en la vida, con amor, honestidad, entrega y trabajo,
pero sobre todo por ser una persona que siempre ha salido adelante y triunfado. Gracias por
confiar en mí y darme la oportunidad de crecer, culminando este escalón de mi vida.
A mi madre:
Leticia Nava por la paciencia que has tenido para enseñarme el camino de la vida, por el amor que
me das, por tus cuidados, por los regaños todo con la finalidad de criar a tu hija de la mejor
manera. Gracias Mamá por vivir a mi lado.
A mi hermano:
Isayo porque siendo tan diferentes, nos une el corazón. Gracias por ser mi amigo y compañero en
esta aventura llamada vida.
~ VII ~
AGRADECIMIENTOS
Al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) por la beca otorgada y el apoyo
recibido.
Al CONACYT por el apoyo financiero a través del proyecto 254665.
Al Tecnológico de Estudios Superiores de San Felipe del Progreso (TESSFP) por el apoyo
académico a lo largo de esta etapa.
Al Dr. Hilario Dolores López González del ININ y a la Mtra. Erika García Domínguez del
TESSFP por la asesoría, paciencia, compresión y apoyo para la realización de este trabajo.
Sinceramente les agradezco de todo corazón, fue un placer trabajar con ustedes, muchas gracias.
A los miembros del comité revisor por las observaciones y aportes de gran importancia los cuales
elevaron la calidad del trabajo.
A la Dra. María T. Olguín por el apoyo recibido en la medición de las muestras de este trabajo y
por el apoyo técnico recibido.
Al técnico Carlos Salinas Molina de Microscopía Electrónica de Barrido del Departamento de
Materiales, así como a todo el personal.
Al Dr. Fernando Ureña Núñez por la orientación, los consejos y cada plática para mejorar.
A todas las personas que han formaron parte de esta etapa profesional y que no he mencionado.
GRACIAS A TODOS…
~ VIII ~
Agradezco por poderlo compartir y disfrutar con quienes aprecio.
A mis abuelitos:
Isaías y Margarita por cuidarme con amor en la niñez y regalarme un nuevo aprendizaje en la
madurez.
Celia porque sin importar las circunstancias me enseñas con alegría el milagro de la vida. “Un
escalón al cielo”.
A mis tíos:
Marco, Mayra, Elsa y César por su amor, ayuda y cobijo inquebrantable a cada momento. Gracias
A mis compañeritos y amigos ININ por su ayuda Evelyn, Lupita, Lili, Sonia, Janette, Yoselin, Erik
y César. A mis amigos a lo largo de esta etapa Jessy, Nai, Carlitos, Vivi, Cuqui “La mayoría de las
personas entran y salen de tu vida, pero solo los buenos amigos dejan huella en tu corazón”. Toy
Story., gracias.
Amiga…A ti
De enero a diciembre y para toda la vida…Sin importar lo que la historia decida.
~ IX ~
RESUMEN
En el presente trabajo se estudió la remoción de Cobalto y Níquel a partir de soluciones
acuosas por la penca de maguey (Agave salmiana). La remoción de Cobalto (Co2+) y
Níquel (Ni2+) fue evaluada en sistemas por lote en función del pH y la concentración inicial
de cada metal.
Se determinó que el pH óptimo para la remoción de Níquel, Cobalto y mezcla
Cobalto/Níquel fue 10. Las cinéticas de sorción se ajustaron a los modelos de pseudo
primer orden y pseudo segundo orden, siendo este último el que mejor describió las
cinéticas de biosorción de ambos metales.
Finalmente se elaboraron las isotermas de biosorción, las cuales fueron modeladas con
las ecuaciones de Langmuir y Freundlich. El modelo de Freundlich fue el que describió el
mejor proceso de sorción de Co2+ (r2 = 0.9323) y Ni2+ (r2 = 0.9048).
~ X ~
ABSTRACT
The main aim of this work was to study the removal of Cobalt and Nickel from aqueous
solutions by the penca of maguey (Agave salmiana). The removal of Cobalt (Co2+) and
Nickel (Ni2+) was evaluated in batch system as a function of pH and the initial
concentration of each metal.
It was determined that the constant optimal pH for Cobalt, Nickel and mix Cobalt/Nickel
was 10. The sorption data were fitted with the pseudo first order and pseudo second order,
kinetic models, the latter being the one that best described the biosorption kinetics of both
metals.
Finally, the biosorption isotherms were constructed and fitted by mean of the Langmuir
and Freundlich. The Freundlich model was that described the best sorption process of
Co2+ (r2 = 0.9323) and Ni2+ (r2 = 0.9048).
~ XI ~
ÍNDICE
DEDICATORIA ................................................................................................................. VI
AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... VII
RESUMEN ........................................................................................................................ IX
ABSTRACT ....................................................................................................................... X
ÍNDICE ............................................................................................................................. XI
ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................... XIV
ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................ XV
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 16
1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 17
CAPÍTULO II.- OBJETIVOS ............................................................................................. 18
2 OBJETIVOS.................................................................................................................. 19
CAPÍTULO III.- HIPÓTESIS ............................................................................................. 20
3 HIPÓTESIS................................................................................................................... 21
CAPÍTULO IV.- MARCO TEÓRICO ................................................................................. 22
4 MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 23
4.1 CONTAMINACIÓN DEL AGUA .................................................................................. 23
4.2 METALES PESADOS ................................................................................................ 23
4.2.1 Cobalto ................................................................................................................... 25
4.2.2 Níquel ..................................................................................................................... 25
4.3 LEGISLACIÓN VIGENTE .......................................................................................... 26
CAPÍTULO V.- ANTECEDENTES ................................................................................... 28
5 ANTECEDENTES ......................................................................................................... 29
5.1 MÉTODOS EMPLEADOS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS QUE CONTIENEN
METALES PESADOS ...................................................................................................... 29
5.1.1 Métodos fisicoquímicos ........................................................................................... 29
5.1.2 Métodos biotecnológicos ......................................................................................... 30
~ XII ~
5.2 BIOSORCIÓN ............................................................................................................ 30
5.3 MECANISMOS DE BIOSORCIÓN ............................................................................. 32
5.4 FACTORES QUE AFECTAN EL PROCESO DE BIOSORCIÓN ................................ 33
5.5 AGAVE ...................................................................................................................... 34
5.5.1 Agave salmiana susp. Crassispina.......................................................................... 34
5.5.2 Diversos usos ......................................................................................................... 35
5.5.3 Identificación Taxonómica de la penca de Agave Salmiana .................................... 35
5.6 MODELOS CINÉTICOS ............................................................................................. 36
5.6.1 Modelo de primer orden .......................................................................................... 37
5.6.2 Modelo de Pseudo Segundo Orden. ....................................................................... 37
5.7 MODELOS DE EQUILIBRIO ...................................................................................... 38
5.7.1 Isoterma de Freundlich ........................................................................................... 38
5.7.2 Isoterma de Langmuir ............................................................................................. 38
5.8 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN ........................................................................ 39
5.8.1 Difracción de Rayos X (DRX) .................................................................................. 39
5.8.2 Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) .............................................................. 39
5.8.3 Área específica superficial método de Brunauer-Emmett-Teller (BET) .................... 39
5.9 ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA (EAA) .......................................... 40
CAPÍTULO VI.- METODOLOGÍA ..................................................................................... 41
6 METODOLOGÍA ........................................................................................................... 42
6.1 RECOLECCIÓN Y TRATAMIENTO DE LA PENCA DE MAGUEY............................. 44
6.2 PREPARACIÓN DE SOLUCIONES ........................................................................... 44
6.3 CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE LAS MUESTRAS ................................... 45
6.3.1 Microscopia Electrónica de Barrido y Análisis Elemental ........................................ 45
6.3.2 Difracción de Rayos-X ............................................................................................ 45
6.3.3 Área Específica (BET)............................................................................................. 46
6.3.4 Determinación del punto de carga cero (pHpzc). ...................................................... 46
~ XIII ~
6.4 DETERMINACIÓN DEL EFECTO DE pH .................................................................. 46
6.5 CINÉTICA DEL PROCESO DE BIOADSORCIÓN ..................................................... 47
6.6 ISOTERMAS DE ADSORCIÓN ................................................................................. 47
6.7 DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE COBALTO (Co2+) Y NÍQUEL (Ni2+)
........................................................................................................................................ 48
CAPÍTULO VII.- RESULTADOS ...................................................................................... 49
7 RESULTADOS ............................................................................................................. 50
7.1 RECOLECCIÓN Y TRATAMIENTO DE LA PENCA DE MAGUEY............................. 50
7.2 ANÁLISIS MORFOLÓGICO (MEB) Y COMPOSICIÓN ELEMENTAL (EDS) ............. 50
........................................................................................................................................ 51
7.3 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES CRISTALINOS O AMORFOS DE LAS
MUESTRAS (DRX) .......................................................................................................... 53
7.4 DETERMINACIÓN DEL ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA .................................... 54
7.5 IDENTIFICACIÓN DEL PUNTO DE CARGA CERO DE LA PENCA DE MAGUEY .... 55
7.6 EFECTO DEL pH ....................................................................................................... 57
7.7 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE CONTACTO ............................................................ 60
7.8 ESTUDIO CINÉTICO ................................................................................................. 62
7.9 EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN ......................................................................... 65
7.10 MODELOS DE EQUILIBRIO .................................................................................... 66
7.11 ANÁLISIS ELEMENTAL DE LA PENCA DE MAGUEY DESPUÉS DEL CONTACTO
........................................................................................................................................ 69
CONTRASTE DE HIPÓTESIS ......................................................................................... 71
CONCLUSIONES ............................................................................................................ 73
RECOMENDACIONES .................................................................................................... 75
PERSPECTIVAS ............................................................................................................. 77
REFERENCIAS ............................................................................................................... 79
~ XIV ~
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 5-1.-Agave salmiana antes y después de su aprovechamiento. ............................ 34
Figura 5-2.- Diagrama esquemático de la estructura de una fibra ................................... 36
Figura 6-1.- Diagrama general del desarrollo experimental. ............................................. 42
Figura 7-1.- Diagrama de recolección y tratamiento de la penca de maguey. .................. 50
Figura 7-2.- Imágenes de microscopia electrónica de barrido de la PMN (a y b) y PMH (c y
d). .................................................................................................................................... 51
Figura 7-3.- Espectros de Dispersión de Energías de rayos X de la a) PMN y b) PMH. ... 52
Figura 7-4.- Difractograma de rayos X de la a) PMN y b) PMH. ....................................... 54
Figura 7-5.- pH inicial en función del pH final para la determinación de la carga cero de la
PMH. ............................................................................................................................... 56
Figura 7-6.- Influencia de pH en la capacidad de adsorción de Co2+ y Ni2+ por separado en
la PMH ............................................................................................................................. 57
Figura 7-7.- Influencia del pH en la capacidad de adsorción de la mezcla Co2+/Ni2+ en la
PMH. ............................................................................................................................... 59
Figura 7-8.- Influencia del tiempo de contacto en la capacidad de adsorción de Co2+ y Ni2+
en la PMH. ....................................................................................................................... 60
Figura 7-9.- Influencia del tiempo de contacto en la remoción de la mezcla Co2+/Ni2+en la
PMH. ............................................................................................................................... 61
Figura 7-10.- Ajuste al modelo de Pseudo segundo Orden para Co2+ y Ni2+ en la PMH. .. 63
Figura 7-11.- Ajuste al modelo de Pseudo segundo Orden de la mezcla Co2+/Ni2+ en la
PMH ................................................................................................................................ 64
Figura 7-12.- Efecto de concentración Ni2+ y Co2+en la PMH. .......................................... 65
Figura 7-13.- Efecto de concentración de la mezcla Co2+/Ni2+ en la PMH. ....................... 66
Figura 7-14.- Ajuste al modelo de Freundlich para Co2+ y Ni2+ en la PMH ........................ 67
Figura 7-15.- Microanálisis elemental (EDS) de PMH después del contacto con a) Co2+ y
b) Ni2+ .............................................................................................................................. 69
Figura 7-16.- Microanálisis elemental (EDS) de la PMH después del contacto con una
mezcla de Co2+/Ni2+. ........................................................................................................ 70
~ XV ~
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 4-1.- Lista prioritaria de sustancias peligrosas en Estados Unidos ........................ 24
Tabla 4-2.- Usos del Cobalto y sus efectos en la salud (Fuente propia). .......................... 25
Tabla 4-3.- Usos del Níquel y sus efectos en la salud (Fuente propia). ............................ 26
Tabla 4-4- Normas vigentes de límites máximos permisibles de Níquel y Cobalto ........... 27
Tabla 5-1- Ventajas y desventajas de la biosorción ......................................................... 31
Tabla 5.2- Algunas biomasas usadas en la remoción de Cobalto y Níquel ...................... 32
Tabla 5-3 Efectos de los factores que afectan el proceso de biosorción. ......................... 33
Tabla 5-4.- Usos de importancia socioeconómica y agroecológica del Agave spp. .......... 35
Tabla 5-5.- Clasificación del tamaño de poro (IUPAC). .................................................... 40
Tabla 7-1.- Análisis químico elemental de la PMN y de la PMH. ...................................... 53
Tabla 7-2.- Área específica, volumen total de poro y diámetro de poro de la penca de
maguey. ........................................................................................................................... 54
Tabla 7-3.- pH de la solución de 0.01M NaCl antes y después del tiempo de contacto con
la PMH. ............................................................................................................................ 55
Tabla 7-4 Capacidad de adsorción y porcentaje de remoción del Co2+, Ni2+ y de la mezcla
Co2+/Ni2+ a pH 10. ............................................................................................................ 59
Tabla 7-5.- Capacidad de adsorción y porciento de remoción de Co2+, Ni2+ y de la mezcla
Co2+/Ni2+ a tiempo de equilibrio de 300 minutos. .............................................................. 62
Tabla 7-6.- Parámetros obtenidos del modelo cinético lineal de Pseudo segundo Orden
para el proceso de adsorción Ni2+ y Co2+ en la PMH. ....................................................... 63
Tabla 7-7.- Parámetros obtenidos de la isoterma de Freundlich lineal para Co2+ y Ni2+ en la
PMH. ............................................................................................................................... 67
~ 16 ~
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
~ 17 ~
1 INTRODUCCIÓN
Los metales pesados como el Cobalto y el Níquel tienen una gran utilidad a nivel industrial
por formar parte de una alta cantidad de productos empleados en la sociedad. Sin
embargo, son metales peligros para la salud por ser mutagénicos y carcinogénicos, así
como un peligro para la preservación del medio ambiente. Las afectaciones y problemas
ocasionados al entorno se ven provocados por malas prácticas en el uso y disposición de
los metales.
Siendo necesario buscar alternativas para eliminar metales presentes en soluciones
acuosas, por lo cual el proceso de biosorción, donde se utilizan biomateriales no vivos es
una opción para el tratamiento de metales.
El presente estudio ofrece como alternativa un proceso de biosorción con penca de
maguey como biomasa no viva para la remoción de Cobalto y Níquel. Por lo que tuvo por
objetivo caracterizar la penca de maguey mediante el análisis Espectroscopia de
Dispersión de Rayos X (EDS) para identificar la composición química de la muestra.
También se le determinó la porosidad, el área superficial y la morfología por Microscopia
Electrónica de Barrido (MEB) para conocer la superficie de la masa. Estos estudios
permitieron conocer el proceso de biosorción de Co2+, Ni2+ y la mezcla Co2+/Ni2+.
Para definir el proceso de sorción de Cobalto, Níquel y la mezcla Cobalto-Níquel con la
penca de maguey se estudió en cada uno de ellos, el efecto de la concentración, efecto
de pH y la cinética de sorción. Con los resultados que se obtuvieron, se cuantifico su
capacidad de adsorción de la penca de maguey estableciendo las isotermas de adsorción
con el ajuste de los datos experimentales a modelos matemáticos existentes.
~ 18 ~
CAPÍTULO II
OBJETIVOS
~ 19 ~
2 OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Determinar la capacidad de sorción de Cobalto, Níquel y la mezcla Cobalto-Níquel
presente en soluciones acuosas con la penca de maguey como masa no viva.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Caracterizar fisicoquímicamente la penca de maguey.
Determinar la capacidad de adsorción de Cobalto en la penca de maguey.
Determinar la capacidad de adsorción de Níquel en la penca de maguey
Estudiar la capacidad de adsorción de la mezcla Cobalto-Níquel en la penca de
maguey.
~ 20 ~
CAPÍTULO III
HIPÓTESIS
~ 21 ~
3 HIPÓTESIS
La penca de maguey tiene la capacidad de adsorción en un sistema estático (tipo bach)
para los metales Cobalto, Níquel y la mezcla Cobalto-Níquel presente en soluciones
acuosas en función del pH, tiempo de contacto, concentración y temperatura.
~ 22 ~
CAPÍTULO IV
MARCO TEÓRICO
~ 23 ~
4 MARCO TEÓRICO
4.1 CONTAMINACIÓN DEL AGUA
A nivel mundial las extracciones de agua dulce son de 3,928 km3 al año y se consume el
56% (2212 km3) de esta agua como efluentes residuales municipales, industriales y
agrícolas. El 80% de las aguas residuales a nivel mundial, se liberan al medio ambiente
sin ningún tipo de tratamiento. América Latina es la que menos tratamiento da a sus
aguas residuales, solo con un 20% [1].
En México por cada 100 litros de agua empleada, 4 litros son destinados para uso
industrial, generando así 214.6 m3/s de aguas residuales de los cuales son tratados 70.5
m3/s [2].
Propiciando la búsqueda de reducir la contaminación química del agua, ya que los efectos
son múltiples y provocan una: acción tóxica y cancerígena, limitación del uso del agua con
fines recreativos, reducción de las posibilidades de su uso industrial y agropecuario; los
riesgos son muchos y difíciles de precisar, ya que muchas veces las dosis tóxicas sobre
las cuales se trabaja son muy pequeñas, y el problema aún se complica más por la
presencia simultánea de diversos contaminantes [3].Especialmente por la que producen
los metales pesados que proceden de la industria metalúrgica, de curtido de pieles,
fotográfica, de baterías, mecánica, etc. y que son vertidos al medio ambiente. Sus efectos
toxicológicos provocados por la naturaleza del metal, concentración o caudal del efluente
hacen a dichos metales en solución un problema de importancia económica y de salud
pública, que enfrenta el mundo en la actualidad.
4.2 METALES PESADOS
Se conoce que cerca de 80 de los elementos químicos de la tabla periódica representan
metales, siendo identificados 30 de ellos con posibles efectos tóxicos para la salud del
hombre [4].
~ 24 ~
Sus características químicas se sustentan en su estructura electrónica que origina las
preferencias de enlace en que predominan el enlace metálico, que se establece entre
átomos del mismo elemento, caracterizado por la formación de estructuras cristalinas en
que cada átomo comparte electrones de muchos de sus vecinos [5].
El uso del término “metales pesados” se relaciona a los elementos químicos que
presentan una densidad mayor 5 g/cm3 que es superior a la del agua o cuyo número
atómico es mayor a 20 [6] y que a bajas concentraciones son tóxicos para la salud
humana, así mismo se acumulan en la cadena trófica.
Aunque existen algunos metales pesados como el Cromo, Manganeso, Cobalto, Cobre,
Zinc, Molibdeno, Vanadio o Hierro que intervienen en una cadena de funciones catalíticas
de importancia para los seres vivos; para que los microorganismos puedan disponer de
ellos, deben encontrarse en el medio a concentraciones escasas (niveles de traza) [7].
En base al listado de sustancias que representan un riesgo potencial para la salud
humana, según su toxicidad y posible contacto con las personas que presenta La Ley de
Respuesta Ambiental y Exhaustiva, Compensación y Responsabilidad Pública (CERCLA).
En la Tabla 4-1 se muestran algunos elementos de la lista prioritaria de sustancias
peligrosas en los Estados Unidos de América. En la que se encuentran siete de los
metales pesados.
Tabla 4-1.- Lista prioritaria de sustancias peligrosas en Estados Unidos [8].
Posición del año
2013-2015 Sustancia
Media geométrica
de concentración
máxima para el
agua (mg/L)
1 Arsénico 6x10-2 2 Plomo 1x10-1 3 Mercurio 3x10-3 7 Cadmio 4x10-2
17 Cromo hexavalente 8x10-1 51 Cobalto 6x10-2 57 Níquel 3x10-2
~ 25 ~
4.2.1 Cobalto
El Cobalto es un elemento químico con propiedades similares al Hierro y Níquel. El
número atómico del Cobalto es 27 y símbolo Co. Hay solamente 1 isótopo estable del
Cobalto, que tiene un peso atómico de 59 [9]. Es un metal duro, ferroso, pesado, de color
blanco azulado, con densidad de 8.6 kg/dm³ y punto de fusión es de 1,490ºC [10].
Tabla 4-2.- Usos del Cobalto y sus efectos en la salud (Fuente propia).
4.2.2 Níquel
El Níquel tiene como numero atómico 28 y símbolo Ni, elemento de transición de la cuarta
serie de la tabla periódica. Su masa atómica es de 58.71, densidad de 8.902 g/cm3 y
punto de fusión de 1,453 °C. Posee propiedades de elasticidad, magnéticas, elevadas
conductividades térmicas y eléctricas. Tiene una capacidad de absorción superficial sin
formar compuestos estables, convirtiéndolo en un importante catalizador [10].
USOS [11] EFECTOS EN LA SALUD [9,11]
En aleaciones para resistencia a corrosión.
En industrias químicas y petroleras como agente químico.
En la electrolisis.
Los compuestos de cobalto como colorantes.
Dado que forma parte de la dieta diaria como vitamina B12 se recomienda un consumo de 6 microgramos (1µg microgramo = millonésima parte de 1 gramo). Ya que una ingesta alta de Cobalto puede provocar:
Náuseas y vómito.
Complicaciones en la visión.
Dermatitis.
Dañar la tiroides y severamente el corazón.
~ 26 ~
Tabla 4-3.- Usos del Níquel y sus efectos en la salud (Fuente propia).
4.3 LEGISLACIÓN VIGENTE
Actualmente y a consecuencia de que las industrias que usan como fuente principal
metales, en este caso el Níquel y el Cobalto, liberan cantidades fuera de las tolerables al
medio ambiente, ocasionando diversos daños a la salud del ser humano y el entorno. Se
han establecido normativas gubernamentales de distintos países que regulan las
cantidades máximas aceptables de metal, con la que los efluentes se pueden verter al
medio acuático, así como las concentraciones máximas permisibles para el agua
destinada al consumo humano. En la Tabla 4-2 se muestran algunas normas vigentes
para los límites máximos permisibles de Níquel y Cobalto respectivamente.
USOS [10,12] EFECTOS EN LA SALUD [12]
Para hacer aceros endurecidos, inoxidables y resistentes a la corrosión
En procesos de electro-recubrimiento (galvanostegia).
El Cloruro de Níquel (NiCl2) como colorante de cerámica, catalizador y niquelado galvánico.
Una persona consume diariamente alrededor de 170 µg (microgramos) de Níquel, 2 μg son a través del agua potable.
Sin embargo, entre el 10% y 15% de la población es alérgica al Níquel.
Así mismo la ingesta de altas concentraciones de Níquel puede causar dolores de estómago, alteraciones en la sangre y los riñones
~ 27 ~
Tabla 4-4- Normas vigentes de límites máximos permisibles de Níquel y Cobalto (Fuente
propia).
Descripción Límite máximo permisible Referencia
México Níquel Cobalto Descargas de aguas residuales en ríos
Uso en riego
Uso público urbano
Protección de vida acuática
Descargas de aguas residuales en aguas costeras
Uso explotación pesquera Recreación
Estuarios
2.0 mg L-1
2.0 mg L-1
2.0 mg L-1
2.0 mg L-1
2.0 mg L-1
2.0 mg L-1
2.0 mg L-1
0.5 mg L-1
0.5 mg L-1
NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL Y DE DESCARGA DE EFLUENTES AL RECURSO AGUA [13]. NOM-001-SEMARNAT-1996 [14]. NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL Y DE DESCARGA DE EFLUENTES AL RECURSO AGUA [13]. NOM-001-SEMARNAT-1996 [14].
Descargas de aguas residuales al alcantarillado
6.0 mg L-1
2.0 mg L-1
0.05 mg L -1
NOM-002-SEMARNAT-1996 [14]. NORMA DE CALIDAD AMBIENTAL Y DE DESCARGA DE EFLUENTES AL RECURSO AGUA [13].
Criterios de calidad admisibles para la preservación de la vida acuática y silvestre
Agua dulce
Agua marina
Criterios de calidad de aguas para uso agrícola en riego Criterios de calidad de aguas para uso pecuario
0.2 mg L-1 0.2 mg L-1
0.01 mg L-1
1.0 mg L-1
NORMA DE CALIDAD
AMBIENTAL Y DE DESCARGA
DE EFLUENTES AL RECURSO
AGUA [13].
~ 28 ~
CAPÍTULO V
ANTECEDENTES
~ 29 ~
5 ANTECEDENTES
5.1 MÉTODOS EMPLEADOS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS QUE
CONTIENEN METALES PESADOS
Con la finalidad de mejorar la calidad del agua se han desarrollado una gran variedad de
procesos para tratar efluentes de las industrias. Los procesos fisicoquímicos han sido los
más utilizados para la remoción de metales pesados de aguas residuales industriales.
Aunque, en muchos casos han presentado diversas deficiencias en su desarrollo y
dificultades por generar residuos secundarios y complejos de manipular; otro factor es que
son costosos para la mayoría de las industrias. Por lo que actualmente se ha considerado
que los procesos biotecnológicos son una alternativa potencial para el tratamiento de
aguas con esas características.
5.1.1 Métodos fisicoquímicos
Generalmente consiste en la combinación de procesos químicos (adición de productos
químicos) y procesos físicos; que buscan adecuarse a las características del efluente que
permitan alcanzar los límites máximos permisibles establecidos en la normatividad para
metales.
La precipitación química es un método que consiste en adicionar al agua residual
reactivos químicos solubles cuyos iones reaccionan con los de la sustancia que se desea
remover, formando un precipitado, por lo cual es uno de los más empleados en la
remoción de metales [15].
El intercambio iónico y ósmosis inversa el primero es un proceso selectivo a través del
cual una matriz sólida libera iones para intercambiarse con especies iónicas metálicas, en
ambos casos los iones son de la misma carga [16] y el segundo consiste en separar los
contaminantes, del agua residual, forzando al agua a fluir a través de una membrana
semipermeable, de acetato o de poliamidas, a través de la aplicación de presión [17].
~ 30 ~
5.1.2 Métodos biotecnológicos
Los procesos biotecnológicos han centrado la atención de la comunidad científica por el
principal uso de materiales biológicos (biomasas) que han abierto nuevas expectativas
para el tratamiento de las aguas residuales, teniendo como propósito la eliminación de
metales contaminantes, contrarrestando la complejidad en el tratamiento y por tanto
minimizando el costo.
La fitorremediación son procesos bioquímicos llevados a cabo por plantas por lo que se
aprovecha su capacidad para absorber, acumular, metabolizar, volatilizar o estabilizar
contaminantes presentes en el suelo, aire, agua o sedimentos. [18].
La bioacumulación, biomineralización y biotransformación se basan en las funciones
biológicas de los organismos resistentes o tolerantes a la presencia de metales pesados.
La bioacumulación es un mecanismo celular, por el cual el metal pesado se une al
citoplasma que será retenido por proteínas ricas en grupos sulfhídrilos, denominadas
metalotioneínas, o también puede ser encerrado en la vacuola. En la biomineralización se
emplean determinados microorganismos que son aptos para precipitar metales pesados
en carbonatos e hidróxidos. Para la biotransformación unas ciertas enzimas microbianas
realizan un cambio en la naturaleza química del metal pesado (oxidación, metilación) [19].
5.2 BIOSORCIÓN
El proceso consiste en una fase sólida (biomasa muerta o inactiva) y una fase líquida
(agua) que contiene las especies disueltas que van a ser sorbidas (iones metálicos). La
adsorción entonces se basa en la afinidad que tienen los iones metálicos por la biomasa,
los cuales son atraídos hacia ella y enlazado por distintos mecanismos. El cual finalizara
hasta que los iones metálicos disueltos y biomasa alcancen el equilibrio [20].
Su principal atractivo, desde el punto de vista industrial, es la facilidad en la obtención y
bajo costo del material biosorbente, ya que suelen ser subproductos (pesqueros,
forestales, etc.) o biomasas (hongo, levadura, etc.). Destacando la efectividad de la
~ 31 ~
biosorción en el tratamiento de concentraciones metálicas de rango inferior a 100 mg/L.
En la Tabla 5-1 se muestran algunas ventajas y desventajas del proceso de biosorción.
Tabla 5-1- Ventajas y desventajas de la biosorción [21].
VENTAJAS DESVENTAJAS
La minimización del volumen de productos químicos y/o lodos biológicos.
El material biosorbente se puede regenerar.
La remoción de los iones de metales se
realiza a bajas concentraciones.
El proceso no se encuentra gobernado
por restricciones fisiológicas, es decir no
depende del crecimiento.
No se requieren nutrientes para el
proceso.
Los materiales utilizados como
biosorbentes no son caros.
Bajo costo de operación.
Proceso sencillo.
Rápida saturación de los sitios de unión.
El secuestro por adsorción es sensible al pH.
El mejoramiento de estos procesos
biológicos es limitado ya que las células
no efectúan un metabolismo.
El estado de valencia del metal no
puede ser alterado biológicamente para
dar formas menos solubles.
No existe capacidad para degradar
especies organometálicas.
A continuación, en la Tabla 5-2 se mencionan algunos biosorbentes inactivos estudiados
en la remoción de Níquel y Cobalto.
~ 32 ~
Tabla 5.2- Algunas biomasas usadas en la remoción de Cobalto y Níquel (Fuente propia).
Biomasa Generalidades Referencia
Algas marinas Estudio en un reactor discontinuo a pH 3 y 30 ºC. Se
eliminó el 85% de Ni2+.
Seolatto et al.,
2014 [22] Sargassum filipéndula
Sargassum wightii
Experimentos en lote a concentración inicial de metal
de 100 mg/L. Presentó una absorción de 20.63 mg de
Co (II)/g a pH 4.5 y 18.58 mg de Ni (II)/g a pH 4.
Vijayaraghavan
et al., 2005 [23]
Levaduras
Saccharomyces cerevisiae
Estudio por lote a pH 8 y 25 °C, concentración inicial
100 mg/L. La capacidad máxima de absorción de Ni
fue 1.2 mg/g y Co 0.68 mg/g.
Galedar y
Younesi 2013
[24]
Agroindustriales
Cáscara de ñame (Dioscorea rotundata)
Experimento bach, concentración de 100 mg/L de Ni
y pH de 6. La capacidad máxima fue de 103,3 mg/g. Tejada et al.,
2016 [25]
Caña de azúcar Estudio por lotes de biosorción de Ni a pH 5 y 25°C,
capacidad máxima de sorción experimental de 2 mg/g
Alomá et al.,
2012 [26]
Forestales
Pino
Se empleó un diseño compuesto central completo de
23 factoriales para Ni (II) a pH 6.17, concentración
inicial 11.175mg/L, con una eficacia del 99.91%.
Can et al., 2006
[27]
Pesqueros
Escamas de tilapia
Estudio por lotes para Ni, la capacidad de absorción
de 1.4 mg/g con equilibrio después de 4 horas a pH 9. Othman y Juki
2011 [28]
5.3 MECANISMOS DE BIOSORCIÓN
Los biosorbentes poseen estructuras complejas, por lo que se tendrá una captura
especifica dependiendo del material sorbete, atribuyendo esto a sus grupos funcionales y
características del metal. Por tanto, podrían intervenir simultáneamente varios
mecanismos en el proceso, haciéndolo en ocasiones difícil de explicar.
Adsorción: Proceso en el que los iones se unen a la superficie de un sólido
(biomasa), por fenómenos físicos, tales como atracción electrostática y fuerzas de Van
der Waals, o químico como reacciones de complejación (formación de complejos en la
pared celular) o quelación [29].
~ 33 ~
Intercambio iónico: Reacción química reversible, en la que un ión de la solución
se intercambia por un ion de la superficie, ambos iones con la misma carga [29]. Con lo
que se ha establecido que los iones metálicos divalentes se intercambian con iones como
Na+, K+, Ca2+ y Mg2+ que comúnmente componen las paredes celulares de la biomasa [7]
Microprecipitación: Es el cumulo de la disolución en el biosorbente, por
variaciones de parámetros locales, como pH y ocurre al alcanzar el límite de solubilidad.
Los microprecipitados de metal, se depositarán en la superficie de la biomasa [29].
5.4 FACTORES QUE AFECTAN EL PROCESO DE BIOSORCIÓN
En la Tabla 5-3 se describen los factores que afectan el proceso de biosorción.
Tabla 5-3 Efectos de los factores que afectan el proceso de biosorción.
Algunas propiedades químicas de los iones, como el radio iónico, la carga eléctrica y
potencial iónico, pueden influir en la selectividad del material por unos u otros iones
metálicos. No obstante, la superficie irregular y heterogénea de la mayoría de
biosorbentes dificulta la comprensión y modelización de los mecanismos [33].
FACTOR EFECTO EN LA ADSORCIÓN
Temperatura Altas temperaturas pueden modificar al biosorbente [30].
pH El pH de la solución influye en la adsorción, pH mayores a 5 favorecerán la adsorción de cationes y los aniones se adsorberán especialmente a pH entre 1 a 5 [30].
Tamaño de partícula A mayor área de contacto superficial aumenta la remoción del adsorbato, la capacidad de retención aumenta con la disminución del tamaño de partícula, afectando la velocidad de reacción [30].
Presencia de otros iones
El metal a retener compite con otros metales presentes en la
solución [30].
pH en el punto de carga cero (pHZPC)
Indica el comportamiento ácido-base del biosorbente. Si el
pHdisolución<pHZPC, la carga total sobre la superficie del biosorbente es
positiva e interaccionará con los aniones. Y si el pHdisolución>pHZPC la
carga total sobre la superficie del biosorbente es negativa y el
biosorbente tendrá mayor capacidad para adsorber cationes [31].
Tiempo de contacto Tiempo que permanece en contacto el biosorbente y el sorbato, finaliza cuando ya no aumenta la cantidad de metal eliminado. [7].
Concentración de la biomasa
A mayor cantidad de biomasa, disminuirá la capacidad de sorción.
Las interacciones electrostaticas de las células aminorará los
centros activos de la pared celular [32].
~ 34 ~
5.5 AGAVE
Agave (del griego admirables) o maguey (meguey o magheih); de la familia botánica de
las Agaváceas. En México se encuentran 125 clases de las 288 especies de agaves, 166
de ellas son magueyes [34]. Lucen siempre verdes, sus características fisiológicas y
morfológicas permiten encontrarlas en una gran diversidad de hábitats debido a que les
confieren una notable capacidad de adaptación a los ambientes más hostiles [35].
Son plantas sin un tallo (rizoma) aparente, de raíces profundas, fibrosas y ramificadas.
Las hojas (penca) se organizan en roseta o espiral, son lisas, terminan en punta y en el
borde tienen espinas; algunas pencas pueden ser anchas y carnosas, hasta con 2 m de
longitud; concentran gran cantidad de agua o extractos nutritivos (maguey pulquero), en
otros casos son duras y fibrosas. Las flores van desde el centro de la roseta de hojas en
un tallo denominado “escapo floral” o “quiote”, anunciando la muerte de la planta [36].
5.5.1 Agave salmiana susp. Crassispina
Nombre científico Agave salmiana Figura 5-1, comúnmente llamado maguey pulquero en
el estado de Puebla, Querétaro, Michoacán, Valle de México y Tlaxcala, crece silvestre o
cultivado, en regiones frías a templadas, con elevaciones entre 2300 a 2460 metros sobre
el nivel del mar (msnm) y precipitaciones de 360 a 1000 mm anuales [37].
Figura 5-1.-Agave salmiana [38] antes y después de su aprovechamiento.
~ 35 ~
Roseta 2 m de ancho y 1.5 m de alto
Hojas onduladas, verde claro a amarillento
Espinas grandes y anchas
Inflorescencia ramificada, hasta 8 m de alto
Floración mayo a septiembre
Reproducción semilla e hijuelo [39]
5.5.2 Diversos usos
El uso del maguey como recurso se remonta a la época prehispanica, ya que los pueblos
indigenas encontraron al maguey como una fuente provedora de materias primas para la
elaboración de diversos productos. En la Tabla 5-4 se presentan algunos de los usos de
importancia socioeconomica y agroecológica del agave.
Tabla 5-4.- Usos de importancia socioeconómica y agroecológica del Agave spp. [35].
Usos Producto Parte de la planta
Alimentos
Azúcar y pan de pulque Tallo (piña)
Guisos, barbacoa, mixiotes Flores, frutos y hojas
Gusanos (chinicuiles) Cutícula del cogollo
Tortillas Perianto de flores + nixtamal
Bebidas Aguamiel (atole), Pulque, Mezcal, Tequila, Sotol, Bacanora, Vinagre.
Tallo (piña)
Agrícola Cerca viva, forraje, abono y sogas Planta completa, flores y hojas
5.5.3 Identificación Taxonómica de la penca de Agave Salmiana
La penca de Agave contiene una epidermis que cubre su superficie. La epidermis de las
pencas (hojas) reduce la perdida de agua en la planta y su pared externa está cubierta
por una capa protectora llama cutícula, compuesta de cera. La epidermis cuenta con
estomas que es el conjunto de aberturas microscópicas rodeadas por dos células
guardianas que permiten llevar a cabo la fotosíntesis y regula la perdida de agua [40].
~ 36 ~
Otra identificación importante de las pencas u hojas son sus fibras. Las células de las
fibras, tienen forma alargada y estrecha, paredes gruesas, uniformes, altamente
lignificadas en la madurez y terminan en punta. Las cuales incrementan la fortaleza y
apoyo a la planta, así como resistencia al tejido [40].
Las fibras de la penca, así como la mayoría de las fibras vegetales están constituidas por
celulosa, lignina, hemicelulosas y cenizas [41]. En la Figura 5-2 se presenta el diagrama
de la estructura de una fibra.
Figura 5-2.- Diagrama esquemático de la estructura de una fibra [41]
5.6 MODELOS CINÉTICOS
La cinética sorción describe la velocidad de retención del adsorbato, por lo que controla el
tiempo de residencia de éste en la interfase sólido-disolución y permitirá predecir la
velocidad a la que el contaminante se remueve del efluente tratado, por tanto, se requiere
del conocimiento de las leyes de velocidad que describen el sistema de adsorción, que se
determinan por experimentación y no se pueden deducir en ningún caso [34].
~ 37 ~
5.6.1 Modelo de primer orden
La ecuación de velocidad de Lagergren, es la expresión matemática correspondiente a la
cinética de primer orden, propone que a cada ion metálico se le asigna un sitio de
adsorción del material adsorbente [34] la cual se expresa como:
Ecuación (1)
Su forma linealizada es la siguiente:
Ecuación (2)
Donde qe es cantidad del metal removido en el equilibrio por cantidad de adsorbente
(mg/g), qt cantidad de metal removido en tiempo por cantidad de adsorbente (mg/g), KL
constante de velocidad en el equilibrio de una adsorción de pseudo primer orden (1/min) y
t tiempo (min).
5.6.2 Modelo de Pseudo Segundo Orden.
Esta ecuación cinética de pseudo propone un proceso de sorción química para sistemas
de adsorción con iones metálicos divalentes [42].
En este caso, la ecuación de velocidad de la cinética de adsorción se expresa como:
Ecuación (3)
Y en su forma linealizada corresponde a:
Ecuación (4)
Donde qe es cantidad de metal removido en el equilibrio por cantidad de adsorbente
(mg/g), qt cantidad de metal removido en tiempo por cantidad de adsorbente (mg/g), K
constante de velocidad en el equilibrio de una adsorción de pseudo segundo orden (g/mg
min) y t tiempo (min).
~ 38 ~
5.7 MODELOS DE EQUILIBRIO
Diversos modelos físicos y químicos se utilizan para estudiar el equilibrio de adsorción.
Los modelos tratan de relacionar la cantidad de metal adsorbido por unidad de masa del
adsorbente (q) con la concentración remanente del metal en solución (Ceq) [34].
5.7.1 Isoterma de Freundlich
Se usa a temperatura constante y presiones bajas. Expresa la relación entre la
concentración en el adsorbente y la concentración en la solución. Se caracteriza por la
distribución de la energía de los sitios de adsorción, además no supone formación de una
monocapa [43]. Su ecuación general viene dada por:
Ecuación (5)
En su forma linealizada corresponde a:
Ecuación (6)
Donde qe es la cantidad de soluto retenido (mg/g), Ce la concentración de soluto en la
solución acuosa en el equilibrio (mg/L), KF la constante de equilibrio de Freundlich y 1/n
intensidad de sorción del adsorbato por el sorbente depende de la sustancia.
5.7.2 Isoterma de Langmuir
El modelo de Langmuir propone que la energía de sorción de cada molécula es la misma
e independiente de la superficie, la cual es homogénea y forma monocapa, es decir, cada
sitio de adsorción puede adherir una sola molécula de adsorbato [42]. Su ecuación
general es:
Ecuación (7)
Donde qe cantidad de soluto adsorbido por especificada cantidad de adsorbente (mg/g),
Ce concentración de equilibrio (mg/L), Q0 cantidad de metal o contaminante necesario
~ 39 ~
para formar un monocapa en la superficie (mg/g), b la constante de equilibrio de
Langmuir.
5.8 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
A partir del descubrimiento de las técnicas de caracterización se ha posibilitado un medio
apropiado y funcional para conocer cualitativamente y cuantitativamente como está
constituido un material.
5.8.1 Difracción de Rayos X (DRX)
Difracción de rayos X (DRX) es una técnica de caracterización estructural de diversos
materiales como biosorbentes. El principio de esta técnica se basa en el proceso óptico
conocido como difracción, provocado cuando un haz de rayos X incide sobre los átomos
en los planos de algún material y el haz interacciona con los electrones haciéndolos
vibrar. Este método considera que cada compuesto estructural presenta un diagrama de
difracción único, una ventaja de esta técnica es que las muestras no requieren
específicamente de una preparación previa para su análisis [44].
5.8.2 Microscopia Electrónica de Barrido (MEB)
Una técnica basada en impactar un haz de electrones de alta energía (electrones
primarios) sobre una muestra, produciendo series de señales que son registradas en los
detectores del equipo proporcionando un análisis topográfico, estructural y composicional,
que podrían verse reflejadas en una imagen. Su capacidad de resolución, magnificación y
versatilidad la hacen una técnica aplicable para una diversidad de muestras [45].
5.8.3 Área específica superficial método de Brunauer-Emmett-Teller (BET)
Es una técnica de fisisorción de gases que determina el área específica y distribución de
tamaño de poro en diversos materiales. La fisisorción ocurre cuando gas (nitrógeno), se
pone en contacto con un sólido desgasificado originándose fuerzas de Van der Waals.
~ 40 ~
La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) clasifica los poros por
tamaño como en la Tabla 5-5, según sea el valor de su diámetro promedio
Tabla 5-5.- Clasificación del tamaño de poro (IUPAC).
5.9 ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA (EAA)
La técnica se basa en la absorción de radiación de una longitud de onda, que es
absorbida por átomos energéticos cuya diferencia en energía corresponda a la energía de
los fotones incidentes, determinados por la ley de Beer, que relaciona la pérdida de poder
radiante, con una sustancia de espesor y concentración molar, que permite determinar
cuantitativamente la concentración de la sustancia en solución e identificar al metal
presente, esto por usar fuentes especiales de luz y longitudes de onda específica [46].
Clasificación Diámetro de poro
Microporos Menor a 2 nm
Mesoporos Entre 2 y 50 nm
Macroporos Mayor a 50 nm
~ 41 ~
CAPÍTULO VI
METODOLOGÍA
~ 42 ~
6 METODOLOGÍA
En la Figura 6-1 se muestra las actividades que se realizaron para cumplir con los
objetivos de la investigación.
Figura 6-1.- Diagrama general del desarrollo experimental.
MATERIAL BIOSORBENTE
Penca de maguey (mezote)
Penca de maguey
natural
Prueba en lote
Estudio del efecto de
pH
Resultados y discusión
Cuantificación de Co2+
, Ni2+
y mezcla Co2+
/ Ni2+
en
las soluciones remanentes por Espectrofotometría
de Absorción Atómica
Acondicionamiento (Recolección molienda, tamizado, lavado, secado)
Penca de maguey tratada con HCl al
0.0001%
Caracterización del biosorbente
MEB/EDS, DRX, BET
Soluciones de Co
2+, Ni
2+ y mezcla
Co2+
/Ni2+
Carga cero
Estudio del efecto de
concentración
Estudio de la cinética
de sorción
~ 43 ~
La metodología que se presenta a continuación se clasifico por etapas, para los estudios
de adsorción de Cobalto, Níquel y la mezcla Cobalto-Níquel con la penca de maguey
(mezote) como masa no viva.
Para la primera etapa se prepararon las soluciones metálicas a emplear en la
experimentación, así como las soluciones a usar en los diferentes procesos. También se
hizo la recolección y acondicionamiento de la penca de maguey.
En la segunda etapa se realizó la caracterización fisicoquímica de la penca de maguey,
mediante la experimentación de la determinación de carga cero del material y para el caso
del análisis de los componentes de la muestra se utilizó la técnica de Espectroscopia de
Dispersión de Rayos X (EDS), la técnica de Microscopia Electrónica de Barrido (MEB)
para establecer la porosidad, el área superficial y la morfología de la muestra. Estos
estudios permiten conocer el proceso de biosorción de Cobalto (Co2+), Níquel (Ni2+) y la
mezcla Co2+/Ni2+.
La tercera etapa se centró en la realización de experimentos en lote para determinar el
proceso de sorción de Cobalto, Níquel y la mezcla Cobalto-Níquel con la penca de
maguey, se estudió en cada caso; el efecto de pH, la isoterma variando concentración y la
cinética de sorción.
Finalmente, en la cuarta etapa se caracterizó la penca de maguey, después de los
experimentos de sorción y se midieron las soluciones remanentes por Espectrofotometría
de Absorción Atómica. Con los resultados que se obtuvieron, se cuantificó la capacidad
de adsorción de la penca de maguey por medio del ajuste de los datos experimentales
con los modelos matemáticos correspondientes, para obtener las isotermas de adsorción.
~ 44 ~
6.1 RECOLECCIÓN Y TRATAMIENTO DE LA PENCA DE MAGUEY
Para la realización de este proyecto, se usó como biomasa la penca de maguey del
Agave salmiana proveniente del municipio de Ocoyoacac, Estado de México, entre los
paralelos latitud norte 19° 27’ y 99° 46’, longitud oeste 99° 18’’ y 99° 30’. Altitud entre 2
560 y 3 900 msnm.
Lavado previo. Las pencas secas (mezote) recolectadas se sometieron a un
lavado con agua destilada para eliminar impurezas presentes y se secaron a 70°C
durante 5 horas.
Reducción de tamaño. Después de secarlas, se cortó la penca de maguey
manualmente hasta obtener un tamaño aproximado de 5x5 cm, posteriormente se
molieron en una licuadora marca Oster y se procedió a tamizar para obtener el
tamaño de partícula deseada (malla 50). Esta muestra se etiquetó como PMN.
Tratamiento del material. Posteriormente se lavó con una solución al 0.0001%
de Ácido Clorhídrico, hasta la eliminación total de color en la solución de lavado.
La muestra se volvió a secar a 70°C por 5 horas. La muestra se etiquetó como
PMH.
6.2 PREPARACIÓN DE SOLUCIONES
Para el desarrollo experimental de los sistemas monometálicos y bimetálicos se
prepararon soluciones madre de 600 mg/L de Co2+ pH= 5.738 y Ni2+ pH= 5.603
respectivamente, a partir de los reactivos químicos de grado analítico CoCl2-6H2O de
Merck, con P.M.= 237.93 g/gmol y NiCl2-6H2O de Baker, con P.M.= 237.71 g/gmol. A
partir de la solución madre se realizaron diluciones de: 5, 25, 50, 100, 200, 300, 400, 500
mg/L.
En el caso del valor de pH, las soluciones metálicas se ajustaron con soluciones de Ácido
Clorhídrico (HCl) 0.1M de Baker, P.M.= 36.46 g/gmol e hidróxido de sodio (NaOH) 0.1M
de Merck, P.M.= 40 g/gmol.
La solución de Ácido Clorhídrico (HCl) 0.0001% se preparó a partir de 0.5 mL de Ácido
Clorhídrico HCl de Merck P.M.=36.46 g/gmol, en un litro de agua destilada.
~ 45 ~
Se preparó una solución de Cloruro de Sodio (NaCl) 0.01M de Merck P.M.= 58.44 g/gmol,
pesando una cantidad conocida para 2L de agua destilada, empleada para la
determinación de la carga cero.
6.3 CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE LAS MUESTRAS
6.3.1 Microscopia Electrónica de Barrido y Análisis Elemental
Se determinó la morfología y la composición química elemental de la PMN y de la PMH,
así mismo de las muestras luego del proceso de sorción intentando determinar en qué
lugar de la superficie puede encontrase el metal.
Las muestras se analizaron con un microscopio JSM 6610LV colocándolas en un porta
muestras sobre una cinta de aluminio y se utilizó un recubrimiento (en un tiempo de 90
segundos) de oro como conductor. Cada muestra se analizó en diez puntos a 500X para
determinar el análisis elemental.
6.3.2 Difracción de Rayos-X
Para determinar los componentes de la penca de maguey, se empleó un difractómetro de
polvos Discovery D8, con ánodo de cobre, λ = 1.5406 Ǻ.
Este tipo de análisis se realizó colocando una cantidad de la penca de maguey PMN y
PMH, de aproximadamente 0.5 g en un porta muestras, éste fue introducido en un
goniómetro al que se le hizo incidir un haz de rayos X, obteniéndose una gráfica de
intensidad contra el ángulo de difracción con un barrido de 2.5º a 80º 2θ. Los resultados
que se obtuvieron fueron confrontados con las tarjetas de los patrones reportados por la
"Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS)" para identificar los diferentes
componentes cristalinos y amorfos de la muestra.
~ 46 ~
6.3.3 Área Específica (BET)
Se determinó el área específica de la muestra de penca de maguey mediante la técnica
multipuntos Brunauer, Emmett y Teller (BET) utilizando el equipo Bersopmax. La muestra
fue calentada previamente a 70°C durante dos horas, con corriente de nitrógeno.
6.3.4 Determinación del punto de carga cero (pHpzc).
Se utilizó el método de la derivada del pH, que consiste en variar el pH para cada
muestra. El método se realizó colocando 130 mL de una solución de Cloruro de Sodio
0.01M en diferentes vasos de precipitados de 250 mL y se ajustó el pH para el intervalo 1-
5 adicionando HCl 0.1M, mientras que para el pH en el intervalo 6-12 se ajustó
adicionando NaOH 0.1M.
Se procedió a colocar 0.15 gr de la PMH en vasos de precipitados de 100 mL, añadiendo
50 mL de las soluciones ajustadas respectivamente. La solución se reposó por 48 horas.
Al finalizar el tiempo de reposo, se filtraron las muestras y se midieron los pHfínales de las
soluciones. Las mediciones de pH se hicieron con un potenciómetro MeterLab PHM290 y
se registraron los datos.
6.4 DETERMINACIÓN DEL EFECTO DE pH
De la disolución de 25 mg/L de Co2+, se colocaron 25 mL en diferentes vasos de
precipitados. Se ajustaron los valores de pH de 2 a 5 con HCl 0.1 M, mientras que los
valores de pH 6, 8, 10,12 se ajustaron con NaOH 0.1 M. Así mismo se realizó para la
disolución de 25 mg/L de Ni2+.
Se procedió a colocar 0.1 g de PMH en viales de 20 mL, se añadió 10 mL de las
soluciones ajustadas, respectivamente; esto para el caso de los sistemas monometálicos
Co2+ y Ni2+ en el sistema bimetálico se colocó 5 mL de la disolución de Co2+ y 5 m/L de la
disolución de Ni2+. Ambos casos realizados por duplicado.
~ 47 ~
Se colocaron los viales en un baño de agitación bajo las condiciones de 120 rpm durante
24 horas a 20 °C. Finalizado el tiempo se filtró cada solución, se midieron los valores de
pH con un potenciómetro MeterLab PHM290 y se registraron los datos, para después
medir las soluciones sobrenadantes con la técnica de absorción atómica.
6.5 CINÉTICA DEL PROCESO DE BIOADSORCIÓN
El propósito de la cinética fue determinar la capacidad de remoción de la penca de
maguey en relación al tiempo, hasta alcanzar el equilibrio. Dicho proceso se realizó por
duplicado, a tiempos de 5, 10, 15, 20, 30, 45 y 60 minutos, así como a 2, 5, 7, 17 y 24
horas. Para ello, se colocó 0.1 g de penca de maguey en diferentes viales de 20 mL, se
añadió 10 mL de la disolución de 25 mg/L; esto para el caso de los sistemas
monometálicos Co2+ pH= 5.738 y Ni2+ pH= 5.603 y en el sistema bimetálico se colocó 5
mL de la disolución de Co2+ pH= 5.738 y 5 mL de la disolución de Ni2+ pH= 5.603, bajo los
mismos tiempos.
Se colocaron los viales en un baño de agitación a 120 rpm y 20 °C. Al finalizar el tiempo
de agitación, se separaron los sobrenadantes por filtración y se les determinó la
concentración de Co2+ y Ni2+ con la técnica de absorción atómica.
6.6 ISOTERMAS DE ADSORCIÓN
El estudio del proceso de bioadsorción en sistemas monometálicos y bimetálicos se
completó con el trazado de las isotermas de adsorción. Dicho proceso se realizó con
muestras por duplicado, se colocó 0.1g de penca de maguey en diferentes viales de 20
mL, se añadió 10 mL de las disoluciones de 5, 25, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600 mg/L
respectivamente; esto para el caso de los sistemas monometálicos Co2+ pH= 5.738 y Ni2+
pH= 5.603 y en el sistema bimetálico se colocó 5 mL de la disolución de Co2+ pH= 5.738 y
5 mL de la disolución de Ni2+ pH= 5.603.
Se colocaron los viales en un baño de agitación bajo las condiciones de 120 rpm durante
24 horas a 20 °C. Finalizado el tiempo se filtró y se determinó la concentración de Co2+ y
~ 48 ~
Ni2+ en las soluciones remanentes con la técnica de absorción atómica, para después
analizar los datos con los modelos de Langmuir y Freundlich.
6.7 DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE COBALTO (Co2+) Y
NÍQUEL (Ni2+)
Se determinó la concentración de Cobalto y Níquel presente en las soluciones
remanentes por espectrofotometría de absorción atómica. Empleando un espectrómetro
de absorción atómica marca GBC 932 plus, utilizando la técnica de flama y una lámpara
de cátodo hueco multielemental. Las lecturas se realizaron a una longitud de onda de
240.7 nm para Cobalto y 232 nm para Níquel, se utilizó una curva de calibración
elaborada a partir de diluciones de una solución estándar de NiCl2 a 1000mg/L de Merck y
una solución estándar de Co(NO3)2 a 1000mg/L de Merck. Los datos obtenidos
permitieron construir las gráficas de sorción correspondientes. El tratamiento de los datos
se realizó con una hoja de cálculo del programa Excel 2007, para ambas técnicas.
~ 49 ~
CAPÍTULO VII
RESULTADOS
~ 50 ~
7 RESULTADOS
7.1 RECOLECCIÓN Y TRATAMIENTO DE LA PENCA DE MAGUEY
En la Figura 7-1 se muestra el proceso que se realizó en la recolección y tratamiento de la
penca de maguey.
Figura 7-1.- Diagrama de recolección y tratamiento de la penca de maguey.
7.2 ANÁLISIS MORFOLÓGICO (MEB) Y COMPOSICIÓN ELEMENTAL (EDS)
Muestras iniciales
En la Figura 7-2 se muestran las características morfológicas determinadas en la PMN.
Se observó que es un material con superficie heterogénea, de textura rugosa (Figura 7-
2a). Los sitios ocupados son las cavidades de la muestra. (Figura 7-2b).
En la muestra PMH (Figura 7-2c) el material sigue presentando una textura rugosa
distribuida de manera heterogénea. También se observó que presentan sitios en forma de
cavidades (Figura 7-2d) que oscilan entre los 31 y 44 µm los cuales pueden ser
importantes para retener los metaloides en estudio.
Selección de la penca de maguey (mezote)
Lavar, cortar y moler
Tamiz
Mesh 50
Lavada con
HCl a 0.0001%
Lavada con agua destilada y seca a 70° C
~ 51 ~
Figura 7-2.- Imágenes de microscopia electrónica de barrido de la PMN (a y b) y PMH (c y d).
En la Figura 7-3 se muestran los espectros del análisis químico elemental de la PMN
(Figura 7-3a) y de la PMH (Figura 7-3b) obtenidos mediante Espectroscopia de Dispersión
De Energía De Rayos X (EDS). Se observó en su composición la presencia de carbono,
calcio y oxígeno.
~ 52 ~
Figura 7-3.- Espectros de Dispersión de Energías de rayos X de la a) PMN y b) PMH.
En la cuantificación promedio de la penca, el análisis elemental mostró una distribución
heterogénea y no se observó la presencia de otros elementos. En la Tabla 7-1 se muestra
el análisis químico elemental de la PMN y PMH.
a) PMN
b) PMH
~ 53 ~
Tabla 7-1.- Análisis químico elemental de la PMN y de la PMH.
Promedio composición (%peso)
Elemento Penca natural (PMN) Penca tratada (PMH)
C 31 35
O 45 45
Ca 22.7 19
Mg 1.3 0.57
7.3 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES CRISTALINOS O AMORFOS DE LAS
MUESTRAS (DRX)
El patrón de difracción de rayos-X se muestra en la Figura 7-4 de la PMN (Figura 7-4a).
Se comparó dicho patrón con los patrones reportados por el Joint Committee on Powder
Diffraction Standards (JCPDS) y se identificó que la PMN está compuesta por carbonato
de calcio y oxalato de calcio. Por otro lado, se presentaron picos de poca intensidad y de
gran amplitud, característicos de los materiales amorfos o con poco grado de cristalinidad.
Así mismo para la PMH (Figura 7-5b), se observa la misma composición y característica
amorfa.
~ 54 ~
Figura 7-4.- Difractograma de rayos X de la a) PMN y b) PMH.
7.4 DETERMINACIÓN DEL ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA
En la Tabla 7-2, se muestran los resultados obtenidos del análisis del área específica del
biosorbente PMN y de la PMH. Esas magnitudes representan la capacidad de los
compuestos para sorber especies químicas presentes en la solución.
Tabla 7-2.- Área específica, volumen total de poro y diámetro de poro de la penca de
maguey.
Tipo de
muestra
Área específica
BET (m2/g)
Volumen total de
poro (cm3/g)
Diámetro de
poro (nm)
PMN 0.7954 0.1814 56.345
PMH 1.084 0.00736 27.129
a) PMN
b) PMH
~ 55 ~
Se observó que después del tratamiento, el área superficial aumentó, por lo que se puede
decir, que a mayor área específica se tendría mayor capacidad de adsorción; sin
embargo, el área específica no es el único factor que interviene en la adsorción, sino
también depende de los sitios activos (grupos funcionales, componentes, etc.) que se
tengan disponibles en la penca de maguey.
7.5 IDENTIFICACIÓN DEL PUNTO DE CARGA CERO DE LA PENCA DE
MAGUEY
El punto de carga cero (PZC), es el valor de pH obtenido de la gráfica de pH final frente al
pH inicial, y es donde la línea recta corta la curva. En este punto, el pH inicial es igual pH
final. Este parámetro físico es extremadamente crucial en la adsorción, ya que traduce el
valor de pH en el que invierte la carga superficial. En la Tabla 7-3 se reportan los
resultados de pH antes del contacto y después del contacto con la penca de maguey.
Tabla 7-3.- pH de la solución de 0.01M NaCl antes y después del tiempo de contacto con la
PMH.
* 5.762 pH de la solución 0.01M NaCl
La determinación del punto de carga cero (PZC) se realizó con la finalidad de conocer el
valor de pH, a partir del cual las especies metálicas Co2+, Ni2+ y mezcla Co2+/Ni2+ se verán
favorecidas para su remoción. Las soluciones ajustadas y la penca de maguey
interaccionaron entre ellas. En el intervalo de pH inicial 3 a 11, las muestras no
pH inicial 0.01M NaCl
pH final
2.085 2.234 3.002 5.014 4.012 7.21 5.008 7.3485 6.021 7.3465 7.017 7.3975 8.017 7.4195 9.005 7.54
10.015 8.2255 11.002 9.4965
12 10.369
~ 56 ~
presentaron cambio de color, mientras que en los pH 2 y 12, las muestras cambiaron de
incoloras a una solución café.
En la Figura 7-5, se muestra el gráfico que permitió establecer el valor de la carga cero de
la penca de maguey, el cual fue de 7.4.
Figura 7-5.- pH inicial en función del pH final para la determinación de la carga cero de la
PMH.
El valor de 7.4 del punto de carga cero, conforme a lo que comenta Sánchez (2016) se
indica que la superficie de la peca de maguey es neutra, de manera que los grupos ácidos
y grupos básicos presentes, son proporcionales [33].
Al comparar el punto de carga cero de la cascarilla de arroz y la corteza de coco que son
de 5.40 y 4.61, respectivamente [47], se observa, que estos biosorbentes son más ácidos
que el punto de carga cero de la peca de maguey.
~ 57 ~
7.6 EFECTO DEL pH
En la Figura 7-6 se muestra el efecto del pH en la adsorción de los iones Co2+ y Ni2+ en un
sistema monométalico. En la figura se observó, que cuando el pH aumenta en el intervalo
de 2-12, incrementa la cantidad de adsorción de los iones Co2+ y Ni2+.
Figura 7-6.- Influencia de pH en la capacidad de adsorción de Co2+
y Ni2+
por separado en la
PMH
También, se puede distinguir que a pH 12, la capacidad de adsorción de Co2+ y Ni2+ es
menor.
Según Sánchez (2016) la remoción incrementa a medida que sube el pH como resultado
de la precipitación de Co2+ y Ni2+ como hidróxidos y a pH de 12 la remoción de iones
metálicos es menor. Esto se puede deber a que existe mayor cantidad de iones hidronios
que compiten con el Co2+ y Ni2+ por los sitios activos [33]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 2 4 6 8 10 12 14
qt
(mg/
g)
pH
Ni
Co
~ 58 ~
Burriel et al., (1998) reportó que a pH superiores de 7 se presenta la precipitación
Co(OH)2 en el caso del Cobalto, mientras que, a pH básico, la especie predominante de
Ni2+ es Ni(OH)2 [48] de modo que podrían estar precipitándose en la superficie de PMH.
La precipitación de los iones metálicos a pH básicos, quedan retenidos en la superficie del
adsorbente. Debido a esto, se alcanza una alta remoción de Co2+ y Ni2+cuando el pH es
de 10. En la Tabla 7-4, se presentan los resultados de la capacidad de adsorción y el
porcentaje de remoción de Co2+ y Ni2+ a pH 10.
Cuando se comparan con los estudios de biosorción de carbón activado obtenidos del
bagazo de caña de azúcar para Co2+ la remoción fue de 40.5 mg/g a pH 6 [49], mientras
que con el carbón activado de la cáscara de avellana se determinó una remoción de Co2+
de 4.30 mg/g a pH 8 [50], se observó que estos valores de remoción, son más altos
comparados con lo obtenido en este estudio.
Por otro lado, las investigaciones con residuos de bagazo de caña de azúcar la
eliminación de Ni2+ fue 2 mg/g a pH 5 [26]. Este valor es menor comparado al obtenido en
este trabajo. En otro estudio, se emplean las cáscaras de ñame (Dioscorea rotundata) y
bagazo de palma (Elaeis guineensis) y se encontró que a pH 6 se obtiene una remoción
máxima de Ni2+ del 77 y 81%, respectivamente [25]. Estos porcentajes son menores al de
este trabajo.
En general, la remoción Co2+ y Ni2+ con carbón activado obtenida de biosorbentes, da
mejores resultados. Sin embargo, la preparación u obtención de estas muestras de
carbón activado aumentan su costo y tiempo de obtención, que se evitan en los
biosorbentes naturales.
En la Figura 7-7, se presenta la influencia del pH en función de la capacidad de adsorción
de la mezcla Ni2+/Co2+. Es importante mencionar que también a un pH de 10, se alcanzó
una alta remoción de Co2+ y Ni2+ cuando se encuentra en mezcla. En la Tabla 6-4 se
presentan los resultados de la capacidad de adsorción y porciento de remoción de la
mezcla Co2+/Ni2+a pH 10.
~ 59 ~
Tabla 7-4 Capacidad de adsorción y porcentaje de remoción del Co2+
, Ni2+
y de la mezcla
Co2+
/Ni2+
a pH 10.
Metal Capacidad de adsorción mg/g % Remoción
Cobalto 2.59 100
Níquel 2.43 99.9
Co2+ en Mezcla 2.52 98.9
Ni2+ en Mezcla 2.43 99.9
Figura 7-7.- Influencia del pH en la capacidad de adsorción de la mezcla Co2+
/Ni2+
en la PMH.
Al comparar las Figura 7-6, Figura 7-7 y los valores de la Tabla 7-4, se observó una
diferencia de 0.7 mg/g mayor en la capacidad de sorción para el Cobalto, cuando el Co2+
no está en mezcla.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 5 10 15
qt
(mg/
g)
pH
Ni mezcla
Co mezcla
~ 60 ~
7.7 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE CONTACTO
En la Figura 7-8 se observa la influencia del tiempo de contacto de la PMH con respecto a
la capacidad de adsorción de los iones Co2+ y Ni2+. En esta se pudo observar que la
eliminación de iones de Co2+ y Ni2+ aumenta rápidamente hasta el tiempo de 60 minutos.
Luego, el incremento se hace lentamente. Después, el valor de la capacidad de adsorción
es constante a los 300 minutos.
Figura 7-8.- Influencia del tiempo de contacto en la capacidad de adsorción de Co2+
y Ni2+
en
la PMH.
En la Tabla 7-5 se muestran los resultados de la capacidad de adsorción y el porciento de
remoción de Co2+ y Ni2+ a 300 min.
Cuando el tiempo de agitación fue 120 minutos se obtiene una capacidad de adsorción de
2.19 mg/g que corresponde el 87% de remoción de Co2+, y 2.04 mg/g y una remoción del
90.4% de Ni2+. En ambos casos, este tiempo sería considerado como el tiempo de
agitación en el equilibrio para todos los estudios realizados en este trabajo. Sin embargo,
para asegurar una remoción adecuada, se tomó en cuenta el tiempo de 300 minutos.
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
qt
(mg/
g)
Tiempo (min)
Ni
Co
~ 61 ~
Al comparar los estudios de los tiempos de equilibrio con los de la literatura para la
adsorción de iones Co2+, con el carbón activado obtenido de la cáscara de avellana, se
determinó una remoción de 1.18 mg/g a los 600 minutos [50] y con carbón activado
obtenido con el bagazo de caña de azúcar presentó un tiempo de equilibrio de 4 horas y
un 81% de remoción [49]. Estos valores de remoción, son bajos y con tiempo de
equilibrios altos, comparados con los obtenidos en este trabajo (Tabla 7-5).
En el caso del Ni2+, el tiempo de equilibrio de adsorción con paja de trigo, se logró entre
2.5-5 horas con un 80% de remoción [51]. Con la cáscara de ñame (Dioscorea rotundata)
y el bagazo de palma (Elaeis guineensis) modificada, el tiempo de equilibrio fue de 50 min
superando el 70% de remoción [25].
Los porcentajes de remoción son menores para la paja de trigo, las cáscaras de ñame
(Dioscorea rotundata) y bagazo de palma (Elaeis guineensis) con los obtenidos en este
trabajo; mientras que el tiempo de equilibrio es parecido con el de la paja de trigo. (Tabla
7-5).
Figura 7-9.- Influencia del tiempo de contacto en la remoción de la mezcla Co2+
/Ni2+
en la
PMH.
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
qt
(mg/
g)
Tiempo (min)
Ni mezcla
Co mezcla
~ 62 ~
En la Figura 7-9 se muestra la influencia del tiempo de contacto con respecto a la
capacidad de adsorción de la mezcla Co2+/Ni2+.El comportamiento es similar al que se
presenta cuando los elementos no se encuentran en mezcla. Es decir, la eliminación de
iones de Co2+ y Ni2+ cuando se encuentran en mezcla (Figura 7-9), aumenta rápidamente
con el tiempo. La capacidad de adsorción aumento rápidamente alrededor de los 60
minutos. Luego, el incremento se hace lentamente. Para después, volverse constante a
los 300 minutos. En la Figura 7-9 se observó, que el tiempo de equilibrio para el Cobalto
es mayor con respecto al del Níquel.
En la Tabla 7-5 se muestran los resultados de la capacidad de adsorción y el porciento de
remoción de Co2+ y Ni2+ en mezcla a 300 min.
Tabla 7-5.- Capacidad de adsorción y porciento de remoción de Co2+
, Ni2+
y de la mezcla
Co2+
/Ni2+
a tiempo de equilibrio de 300 minutos.
Metal Concentración inicial
mg/L
Capacidad de adsorción
mg/g
%Remoción
Cobalto 25.12 2.275 90.55
Níquel 22.55 2.08 92.4
Co2+ en Mezcla 25.5 2.12 93.4
Ni2+ en Mezcla 22.55 2.18 96.6
Los valores de la capacidad de adsorción y porciento de remoción son mayores cuando el
Níquel se encuentra en mezcla (Tabla 7-5). En todos los casos, el porcentaje de remoción
fue superior al 90%.
7.8 ESTUDIO CINÉTICO
Existen diversos modelos cinéticos que se han empleado para evaluar la sorción de
contaminantes de sistemas acuosos por diversos sorbentes. En este estudio se eligieron
dos de ellos para describir el proceso de adsorción entre los metales Ni2+ y Co2+ con la
PMH. La cinética se determinó de manera gráfica, probándose una cinética de primer
~ 63 ~
orden y pseudo segundo orden. Sin embargo, el modelo que presentó un mejor ajuste fue
el de pseudo segundo orden.
Modelo de Pseudo Segundo Orden.
Los datos experimentales se ajustaron al modelo de Pseudo segundo Orden Figura 7-10
para los casos Co2+ y Ni2+, el cual se representa con la ecuación (4).
Figura 7-10.- Ajuste al modelo de Pseudo segundo Orden para Co2+
y Ni2+
en la PMH.
En la Tabla 7-6 se presentan los parámetros (qe, K, R2) obtenidos del modelo cinético
lineal de pseudo segundo orden para el proceso de adsorción Ni2+ y Co2+ en la penca de
maguey.
Tabla 7-6.- Parámetros obtenidos del modelo cinético lineal de Pseudo segundo Orden para
el proceso de adsorción Ni2+
y Co2+
en la PMH.
Metal Ecuación qe(mg/g) K(g/mg min) R2
Cobalto y = 0.4291x + 2.9016 2.33 0.06345 0.9998 Níquel y= 0.4616x + 2.8221 2.16 0.07550 1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
t/q
t
Tiempo (min)
Ni
Co
~ 64 ~
El modelo de pseudo segundo orden, se aplica comúnmente a materiales heterogéneos
como la penca de maguey. En este caso y de acuerdo a los coeficientes de correlación
obtenidos, el modelo que mejor describe la cinética de adsorción de Ni2+ y Co2+ en el
biosorbente de estudio, es el modelo de pseudo segundo orden. Tomando en cuenta que
es un modelo teórico y que la limitante es la velocidad de adsorción. Marín (2010) señala
que ante este modelo el proceso de adsorción, puede ser una quimisorción por
intercambio iónico o bien por la formación de enlaces adsorbente/adsorbato [42].
Varios estudios de biosorción reportaron la similitud con el resultado obtenido para el
análisis de biosorción de la penca de maguey, siendo que, el modelo de pseudo segundo
orden se ajustó mejor a los datos experimentales como el de la biosorción de Ni2+ en
bagazo de caña de azúcar [26], fibra de coco para remoción de Ni2+ y Co2+ [52]; y cáscara
de limón en la biosorción de Co2+ [53].
Figura 7-11.- Ajuste al modelo de Pseudo segundo Orden de la mezcla Co2+
/Ni2+
en la PMH.
En la Figura 7-11 se presentan los datos experimentales del estudio de la mezcla
Co2+/Ni2+ que fueron ajustados al modelo de pseudo segundo orden. Los parámetros
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
t/q
t
Tiempo (min)
Ni mezcla
Co mezcla
~ 65 ~
obtenidos fueron, para Co2+ qe= 2.16 mg/g, K= 0.0755 g/ mg min y R2= 0.994 y Ni2+ qe=
2.33 mg/g, K= 0.3446y R2= 0.999.
7.9 EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN
En la Figura 7-12 se presenta la adsorción de Co2+ y Ni2+ en función de la concentración.
Se observó que la adsorción de Co2+ incrementa hasta formar una meseta. La meseta
inicia a 300 mg/L aproximadamente. Mientras que el Ni2+ lo hace a 200 mg/L (donde inicia
la meseta).
Figura 7-12.- Efecto de concentración Ni2+
y Co2+
en la PMH.
En la Figura 7-13 se observó que tanto para la adsorción de Ni2+ como de Co2+ en mezcla
la capacidad de adsorción se incrementó continuamente, sin llegar a formarse una
meseta, por lo cual se puede plantear que no se alcanzó la saturación del sólido con los
iones de metal adsorbidos.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 100 200 300 400 500 600 700
qt
(mg/
g)
mg/L
Ni
Co
~ 66 ~
Figura 7-13.- Efecto de concentración de la mezcla Co2+
/Ni2+
en la PMH.
Mohapatra y Gupta (2005) reportaron estudios de un sistema binario con Oscillatoria
angustissima como biosorbente donde se observó la inhibición de Cu (II)>Zn (II), Cu
(II)>Co (II) y Zn (II) similar a Co(II), debido a esto el biosorbente exhibió
preferencia/afinidad para la sorción de Cu(II) sobre Zn(II) o Co(II) [54]. Por lo que se
podría considerar que en el actual estudio también se está presenciando una competencia
de ambos metales Ni2+ y Co2+ por alcanzar el equilibrio.
7.10 MODELOS DE EQUILIBRIO
Los modelos permiten describir el comportamiento de la sorción de Co2+, Ni2+ en la PMH
mediante una ecuación que represente los resultados experimentales. Existen diversas
ecuaciones de isotermas de sorción, para este estudio se seleccionó la ecuación de
Langmuir y de Freundlich. Sin embargo, la ecuación Freundlich presento un mejor ajuste,
ya que, los resultados del ajuste de los datos experimentales mostraron que para el
modelo de Langmuir se obtuvieron valores negativos, lo cual carece de significado físico;
por lo tanto, este modelo no se acepta.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100 200 300 400 500 600
qt
(mg/
g)
mg/L
Ni mezcla
Co mezcla
~ 67 ~
Isoterma de Freundlich
La isoterma de Freundlich corresponde a la ecuación (6). En la Figura 7-14 se observa
gráficamente la ecuación lineal de Freundlich, para Co2+ y Ni2+ en la PMH.
Figura 7-14.- Ajuste al modelo de Freundlich para Co2+
y Ni2+
en la PMH.
En la Tabla 7-7 se presentan los parámetros (n, KF y R2) obtenidos de la isoterma de
Freundlich lineal para Co2+ y Ni2+ en la PMH.
Tabla 7-7.- Parámetros obtenidos de la isoterma de Freundlich lineal para Co2+
y Ni2+
en la
PMH.
Metal Ecuación KF (mg/g) N R2
Cobalto y = 0.6099x - 0.6178 0.2422 1.639 0.9323 Níquel y = 0.5605x - 0.6085 0.2463 1.784 0.9048
Marín (2010) menciona que la ecuación de Freundlich es una expresión empírica, que
indica que la concentración del adsorbato está sobre la superficie del adsorbente y se
incrementa conforme la concentración del adsorbato aumenta [42]. Porta at al., (2014)
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
qe
(mg/
g)
Ce /mg/L)
Ni
Co
~ 68 ~
establece que se ocuparan los sitios con un enlace más intenso y la fuerza de enlace
disminuye conforme aumenta la ocupación de los sitios de adsorción. También indica que
la ecuación se utiliza en el estudio en superficies heterogéneas para la adsorción de
pesticidas, metales pesados, etc. [55].
La constante de Freundlich KF, es un indicativo aproximado de la capacidad de adsorción
del adsorbente, mientras que n sugiere la intensidad de adsorción. Se ha demostrado que
si n >1, la adsorción es favorable [55]. Para la penca de maguey, el valor de n es mayor a
1, indicando que es adecuado para la adsorción de las especies catiónicas de Co2+ y Ni2+.
Diversas investigaciones reportan un mejor ajuste al modelo de Langmuir. En este
modelo, se forma una superficie homogénea y la energía de adsorción es la misma en
todos los sitios de unión. Resultados de este modelo, se presenta en la adsorción de Ni2+
con cáscaras de ñame (Dioscorea rotundata), con una capacidad máxima de 103,3 mg/g.
Con el bagazo de palma (Elaeis guineensis) modificado, se ajustan los modelos de
Langmuir y Freundlich y se obtienen una capacidad de adsorción de 58,73 mg/g [25]. El
estudio de adsorción con paja de trigo, se reporta un mejor ajuste con el modelo de
Freundlich [51].
Para las isotermas de adsorción de Co2+ con carbón activado de bagazo de caña de
azúcar sulfurado, se obtuvo un buen ajuste con los modelos de Freundlich y Langmuir y
se obtiene una capacidad de adsorción de 153.6 mg/g [49]. En otro estudio, se emplea
carbón activado obtenido de la cáscara de avellana. En este caso, el mejor ajuste fue con
el modelo de Langmuir y se obtiene una capacidad de adsorción de 13.88 mg/g [50].
Existen pocos casos que reportan un ajuste satisfactorio únicamente para el modelo de
Freundlich, como sucedió en el presente estudio. En todo estudio, los resultados
dependerán a los mejores ajustes que se obtengan y estos ajustes dependerán del tipo de
superficie y de la energía de adsorción del sistema que se estudie.
~ 69 ~
7.11 ANÁLISIS ELEMENTAL DE LA PENCA DE MAGUEY DESPUÉS DEL
CONTACTO
En la Figura 7-15 se muestran los análisis de microscopia electrónica de barrido de la
PMH, después de haber estado en contacto, por separado con una solución de Co2+
(Figura 7-15a) y Ni2+ (Figura 7-15b).
Figura 7-15.- Microanálisis elemental (EDS) de PMH después del contacto con a) Co2+
y b)
Ni2+
En la Figura 7-16 se presenta el microanálisis elemental de la PMH después de estar en
contacto con una mezcla en solución de Co2+/Ni2+.
El análisis elemental de la penca de maguey reveló la presencia de Co2+ y Ni2+, lo que
demuestra de manera cualitativa, que el material está reteniendo a esos metales en su
estructura.
b
a
b
~ 70 ~
Figura 7-16.- Microanálisis elemental (EDS) de la PMH después del contacto con una mezcla
de Co2+
/Ni2+
.
Como se pudo observar el análisis muestra la presencia de ambos metales en la PMH. Si
bien, los resultados muestran una afinidad similar para ambos elementos con el
biosorbente, es importante mencionar que la mínima diferencia en el porcentaje, se puede
deber a las propiedades químicas de cada metal. Los estudios realizados mostraron una
disminución o una nula presencia de calcio. Indicando que posiblemente se está llevando
a cabo un mecanismo de intercambio iónico en el biosorbente entre el calcio con el
Cobalto o Níquel.
~ 71 ~
CONTRASTE DE
HIPÓTESIS
~ 72 ~
CONTRASTE DE HIPÓTESIS
Los resultados indicaron que la capacidad de adsorción del biosorbente en función del pH
es mayor para Cobalto y Níquel cuando el pH es de 10, comparado con la cinética de
adsorción. Esta diferencia en los valores de la capacidad de adsorción, se puede deber a
las propiedades de estos metales.
~ 73 ~
CONCLUSIONES
~ 74 ~
CONCLUSIONES
La remoción de Cobalto es menor cuando está en competencia con Níquel con
capacidades de adsorción de 2.12 y 2.18 mg/g, respectivamente.
La cinética de sorción que sigue el Cobalto y el Níquel en la penca de maguey es de
pseudo segundo orden, por lo que se podría decir que es un material heterogéneo y en el
que está ocurriendo un proceso de quimisorción.
La isoterma de Freundlich representa mejor la sorción de Níquel y Cobalto en la penca de
maguey con una capacidad de adsorción de Co2+= 0.2422 mg/g y Ni2+=0.2463 mg/g y
coeficientes de correlación R2=0.9323 Y R2=0.9048, respectivamente.
La penca de maguey no alcanza la saturación bajo las condiciones experimentales de la
mezcla Co2+/Ni2+ en el estudio de efecto de concentración.
~ 75 ~
RECOMENDACIONES
~ 76 ~
RECOMENDACIONES
De acuerdo con los resultados obtenidos en el trabajo se dan las siguientes
recomendaciones:
Probar la eficiencia de la penca de maguey con otros metales.
Realizar estudios de desorción de la penca de maguey, para evaluar la capacidad de su
regeneración y verificar la fuerza de unión biosorbente-metal o la recuperación del metal
dentro del biosorbente.
Realizar estudios de sorción de la penca de maguey en proceso continuo (columna).
~ 77 ~
PERSPECTIVAS
~ 78 ~
PERSPECTIVAS
En primer plano estarían los trabajos destinados a completar los aspectos de
caracterización mostrados. Se podría estudiar la modificación de la composición química
en las capas de la penca de maguey. Una opción aceptable es el análisis de
Espectroscopia de Infra Rojo (FTIR) es una técnica que permite determinar los grupos
funcionales de un material.
Otro punto sería la mejora de las propiedades del tratamiento, por ello sería necesario
estudiar la optimización del tratamiento para mejorar la masa del material.
Sería de interés la realización de un estudio de recuperación del material que permita
evaluar si el material biosorbente puede ser reutilizado en un nuevo proceso de sorción de
Cobalto y Níquel.
~ 79 ~
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