evaluación de la eficiencia de biochar producido a partir
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
1-1-2017
Evaluación de la eficiencia de biochar producido a partir de Evaluación de la eficiencia de biochar producido a partir de
pirólisis lenta de bagazo de caña como medio filtrante para pirólisis lenta de bagazo de caña como medio filtrante para
retención de fenoles en matriz acuosa retención de fenoles en matriz acuosa
Angie Carolina Martínez Villalba Universidad de La Salle, Bogotá
Laura Daniela Bohórquez León Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Martínez Villalba, A. C., & Bohórquez León, L. D. (2017). Evaluación de la eficiencia de biochar producido a partir de pirólisis lenta de bagazo de caña como medio filtrante para retención de fenoles en matriz acuosa. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/344
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EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE BIOCHAR PRODUCIDO A PARTIR DE
PIRÓLISIS LENTA DE BAGAZO DE CAÑA COMO MEDIO FILTRANTE PARA
RETENCIÓN DE FENOLES EN MATRIZ ACUOSA
ANGIE CAROLINA MARTÍNEZ VILLALBA
LAURA DANIELA BOHÓRQUEZ LEÓN
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2017
EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE BIOCHAR PRODUCIDO A PARTIR DE
PIRÓLISIS LENTA DE BAGAZO DE CAÑA COMO MEDIO FILTRANTE PARA
RETENCIÓN DE FENOLES EN MATRIZ ACUOSA
ANGIE CAROLINA MARTÍNEZ VILLALBA
LAURA DANIELA BOHÓRQUEZ LEÓN
MONOGRAFÍA
DIRECTOR
JAIRO VANEGAS GORDILLO
QUÍMICO U.N
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2017
iii
Dedicatoria
Dedicamos este trabajo a Dios por habernos permitido llegar hasta este punto, por llenarnos de
sabiduría, salud, paciencia, fortaleza, y por acompañarnos durante el proceso para la realización
de este proyecto de investigación.
A nuestros padres Mary Luz Villalba, René Martínez, Miriam León y Luis Bohórquez por darnos
lo necesario para lograr nuestros objetivos, por su paciencia, por el amor y motivación que nos
brindaron, por su compañía, sus consejos y enseñanzas que día a día contribuyeron a nuestro
crecimiento como personas y profesionales.
A nuestros hermanos Eduar Bohórquez, Sofía Bohórquez y Laura Martínez por su apoyo
incondicional por sus concejos y compañía, por su ejemplo, por el amor que nos brindaron, por
su comprensión y su motivación.
A nuestros compañeros y amigos quienes compartieron este proceso con nosotras y cada día nos
ayudaron a desarrollar nuestro conocimiento y con su compañía, enseñanzas, apoyo y cariño nos
permitieron ser cada día mejores.
iv
Agradecimientos
Los autores damos sinceros agradecimientos a:
Dios en primer lugar por la sabiduría y la constancia de nos dio para lograr realizar este
proyecto.
Nuestros padres por su apoyo incondicional a lo largo de esta etapa, por creer en nosotras y sobre
todo por las palabras y consejos de aliento que nos han dado a lo largo de nuestras vidas para ser
las personas que hoy somos.
Al profesor Jairo Vanegas por brindarnos sus conocimiento, apoyo, dedicación y sobre todo por
confiar en nosotras a lo largo del desarrollo del proyecto.
Al personal del laboratorio de Ciencias Básicas de La Universidad, por su colaboración para el
desarrollo de los análisis de laboratorio.
La Universidad de La Salle y en especial a los docentes del programa de Ingeniería Ambiental y
sanitaria, que en los diferentes espacios académicos nos brindaron el conocimiento y apoyo para
el desarrollo del proyecto.
Los profesores Oscar Contento y Víctor Marulanda por sus consejos en el desarrollo del
proyecto.
v
Resumen
Este proyecto se basó en evaluar la eficiencia del Biochar producido a partir de bagazo de caña
como medio filtrante para retención de fenoles en matriz acuosa. Los compuestos fenólicos están
presentes en aguas residuales industriales y generan contaminación de fuentes hídricas; por otro
lado el bagazo de caña se quema generando emisiones de gases contaminantes que contribuyen
de manera activa al efecto invernadero y genera importantes daños, como la contaminación de
cuerpos de agua, contaminación de suelo y provoca enfermedades al ser humano, en su mayoría
de índole respiratoria y ocular. Por lo anterior la investigación no solo se basó en el tratamiento
de aguas residuales sino también en proponer una alternativa de tratamiento aprovechando un
residuo agroindustrial como lo es el bagazo de caña.
La producción del biochar se realizó con la tecnología de pirólisis lenta del bagazo de caña, a
condiciones de humedad menores al 10%, una temperatura de 450 °C en el pirolizador 15
minutos a una velocidad de calentamiento de 10°C/min en una atmósfera controlada, una vez
producido el biochar se realizaron pruebas en filtros de 2” de diámetro y una altura de medio de
25 cm, con concentraciones de fenoles de 100 mg/L y calculando las concentraciones finales
con la técnica de espectrofotometría de luz UV utilizando Espectrofotómetro SPECTRONIC
GENESYSTM5 por método fotométrico directo de 4-aminoantipirina SM 5530D
Se obtiene un producto, con alta área superficial y superficie enriquecida con grupos funcionales
y componentes minerales, características que hacen posible su uso como material absorbente que
podrá ser utilizado como medio filtrante en las unidades de tratamiento de aguas residuales
industriales con componentes fenólicos, el porcentaje de remoción de fenoles del Biochar fue de
99,995% lo que permite concluir una alta eficiencia de remoción de fenoles.
Palabras Clave: Biochar, agua residual, fenoles, pirólisis, residuos sólidos.
vi
Tabla de Contenido
1 Introducción ............................................................................................................................. 1
2 Objetivos .................................................................................................................................. 2
2.1 Objetivo General ............................................................................................................. 2
2.2 Objetivos Específicos...................................................................................................... 2
3 Justificación ............................................................................................................................. 3
4 Marco de Referencia ................................................................................................................ 4
4.1 Marco Teórico ................................................................................................................. 4
4.1.1 Composición de la biomasa ...................................................................................... 4
4.1.2 Biochar ...................................................................................................................... 5
4.1.3 Pirólisis ..................................................................................................................... 6
4.1.3.1 Pirólisis lenta ..................................................................................................... 7
4.1.4 Sistemas de filtración ................................................................................................ 8
4.1.5 Cinética de adsorción de fenoles............................................................................. 10
4.1.6 Proceso productivo azucarero ................................................................................. 11
4.1.7 Valoración de impacto ambiental ........................................................................... 12
4.1.8 Gestión de residuos industriales.............................................................................. 14
5 Metodología ........................................................................................................................... 16
5.1 Fase I. Valoración de impacto y Caracterización del bagazo de caña .......................... 17
5.1.1 Valoración de impacto ambiental del bagazo de caña ............................................ 17
5.2 Fase II. Producción y caracterización del Biochar........................................................ 18
5.2.1 Producción de Biochar ............................................................................................ 18
5.2.1.1 Selección de variables adecuadas para la producción del material. ................ 18
5.2.1.2 Producción de biochar. .................................................................................... 18
5.2.2 Caracterización de biochar ...................................................................................... 19
5.3 Fase III. Dimensionamiento y selección de variables de los filtros piloto .................. 19
5.3.1 Dimensionamiento y Construcción de filtros piloto ............................................... 20
5.3.2 Curva de calibración ............................................................................................... 21
5.3.3 Selección de Variables de trabajo ........................................................................... 22
5.4 Fase IV. Evaluación de eficiencia de remoción de fenoles del Biochar ....................... 22
vii
5.4.1 Evaluación de eficiencia ......................................................................................... 22
5.4.2 Desorción de felones en biochar ............................................................................. 23
6 Resultados y Análisis............................................................................................................. 24
6.1 Fase I. Valoración de impacto y Caracterización del bagazo de caña .......................... 24
6.1.1 Valoración de impacto ambiental del bagazo de caña ............................................ 24
6.1.1.1 Características físicas y químicas .................................................................... 24
6.1.1.1.1 Componente Suelo ...................................................................................... 24
6.1.1.1.2 Componente Hídrico ................................................................................... 25
6.1.1.1.3 Componente atmosférico............................................................................. 25
6.1.1.2 Condiciones Biológicas ................................................................................... 26
6.1.1.3 Factores Culturales y Sociales ......................................................................... 26
6.1.2 Caracterización del bagazo de caña ........................................................................ 29
6.2 Fase II. Producción y caracterización del Biochar........................................................ 30
6.2.1 Producción de Biochar ............................................................................................ 30
6.2.1.1 Selección de variables adecuadas para la producción del material. ................ 30
6.2.1.2 Producción de biochar. .................................................................................... 34
6.2.2 Caracterización de biochar ...................................................................................... 35
6.3 Fase III. Dimensionamiento y selección de variables de los filtros piloto .................. 37
6.3.1 Dimensionamiento y Construcción de filtros piloto ............................................... 37
6.3.2 Curva de calibración ............................................................................................... 38
6.3.3 Selección de variables de trabajo ............................................................................ 44
6.4 Fase IV. Evaluación de eficiencia de remoción de fenoles del Biochar ....................... 45
6.4.1 Evaluación de eficiencia ......................................................................................... 45
6.4.2 Desorción de felones en biochar ............................................................................. 48
7 Conclusiones .......................................................................................................................... 50
8 Recomendaciones .................................................................................................................. 52
9 Bibliografía ............................................................................................................................ 53
10 Anexos ................................................................................................................................... 56
viii
Tabla de Tablas
Tabla 1. Composición química típica de diferentes biomasas ........................................................ 4
Tabla 2. Tipos de pirólisis en función del tiempo de residencia, la velocidad de calentamiento,
temperatura y los productos obtenidos. .......................................................................................... 7
Tabla 3. Métodos utilizados para la caracterización de análisis elemental y próximo del Biochar
producido ...................................................................................................................................... 19
Tabla 4. Formato de registro de pruebas para selección de variables de trabajo. ......................... 20
Tabla 5 Análisis elemental del bagazo de caña ............................................................................ 29
Tabla 6 Análisis próximo del bagazo de caña .............................................................................. 29
Tabla 7 Resultados de humedad del bagazo de caña .................................................................... 31
Tabla 8. Resultados de pruebas para selección de temperatura y tiempo para la producción de
Biochar a partir de bagazo de caña. .............................................................................................. 32
Tabla 9 Resumen resultados de la producción de biochar a partir de bagazo de caña ................. 35
Tabla 10 Resultados de análisis elemental del biochar producido a partir de bagazo de caña ..... 35
Tabla 11 Resultados análisis próximo y de área superficial de biochar producido a partir de
bagazo de caña y carbón activado comercial ................................................................................ 36
Tabla 12 Dimensionamiento filtros piloto para la selección de variables de trabajo de las pruebas
de eficiencia de remoción de fenoles de biochar. ......................................................................... 38
Tabla 13 Resultados de absorbancia de los 7 patrones para realizar la curva de calibración para
medición de concentración de fenoles después del paso por el filtro ........................................... 39
Tabla 14. Resultados de transmitancia y porcentaje de transmitancia para pada patrón de
concentración para la curva de calibración para fenoles .............................................................. 42
Tabla 15 Resultados de variables de trabajo de los filtros piloto ................................................. 44
Tabla 16 Resultados de pruebas de filtros realizadas con biochar................................................ 46
Tabla 17 Resultados desorción realizada al biochar utilizado ...................................................... 49
ix
Tabla de Figuras
Figura 1. a) Modelo Pseudo -primer orden y b) Modelo Pseudo- segundo orden para la
adsorción de fenol en la FNAC. .................................................................................................... 10
Figura 2. Isotermas de adsorción de fenol y Mo en la FNAC. .................................................... 11
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de producción de azúcar estándar en el ingenio caso de
estudio. .......................................................................................................................................... 12
Figura 4. Resumen de la metodología desarrollada en el proyecto. ............................................. 16
Figura 5. Método fotométrico Directo de 4-aminoantipirina ........................................................ 21
Figura 6. Representación gráfica de valoración de Matriz de Leopold según Anexo A. ............. 28
Figura 7. Curva de calibración de fenoles realizada con patrones de 1, 5, 10, 20, 40, 60 y 80
mg/L .............................................................................................................................................. 39
Figura 8. Curva de calibración de fenoles para la medición de este parámetro después del paso de
agua por los filtros piloto .............................................................................................................. 40
Figura 9. Curva de calibración de fenoles según absorbancia y tramitación para la medición de
este parámetro después del paso de agua por los filtros piloto ..................................................... 43
1
1 Introducción
La presencia de compuestos fenólicos en el agua se genera debido a acciones antropogénicas
como vertimientos industriales que generan impactos negativos para el ambiente y para los seres
humanos, debido a su toxicidad y a su capacidad de bioconcentración en el agua, el suelo, la
fauna, la flora y en el hombre. Los fenoles son compuestos que se absorben rápidamente por la
inhalación del vapor, también en contacto con la piel y por ingestión, alcanzando
concentraciones nocivas en el ambiente por evaporación de la sustancia a 20º C. (Ministerio de
Agricultura y Pesca, Alimentación y Medio Ambiente de España, 2007)
Los procesos productivos de las industrias farmacéuticas, de perfumería, explosivos, resinas
fenólicas, plásticos, textiles, petróleo, colorantes, cuero, papel, coquerías, destilerías de alquitrán,
pesticidas y plaguicidas expulsan alrededor del 26.3% de los fenoles al aire, aproximadamente el
73,3% a las aguas y cerca del 0,4% en el suelo y los sedimentos acuáticos (Campos, 2009), por
lo que la mayoría del contaminante se dirige al agua y afecta en mayor nivel a este recurso.
Esta investigación evaluó la eficiencia de biochar producido con bagazo de caña por medio de
pirólisis lenta en atmósfera controlada para su uso como medio filtrante para la remoción de
fenoles en el agua, para así proponer el uso de un material económico y sostenible
ambientalmente para el tratamiento de aguas residuales industriales que contienen fenol.
El bagazo de caña es un residuo agroindustrial que actualmente se desperdicia en la misma
industria, además en muchos casos se realiza se quema, por lo tanto se propone una alternativa
con el fin de realizar el aprovechamiento de este residuo y así mitigar los efectos de la quema. El
Biochar producido se comparó con carbón activado comercial, este último es el medio utilizado
en las plantas de tratamiento de agua residual actualmente.
2
2 Objetivos
2.1 Objetivo General
Evaluar la eficiencia del Biochar producido a partir de pirólisis lenta en atmósfera controlada de
bagazo de caña como medio filtrante para retención de fenoles en matriz acuosa.
2.2 Objetivos Específicos
Emplear la tecnología de pirólisis lenta en atmósfera controlada de biomasa para la
producción y caracterización de Biochar.
Dimensionar filtros piloto para selección de variables fisicoquímicas.
Determinar la eficiencia de remoción de fenoles del medio filtrante.
Valorar el impacto ambiental del bagazo de caña generado en el proceso productivo
azucarero.
3
3 Justificación
Con el fin de proponer una alternativa económica y sostenible para la remoción de fenoles
presentes en aguas residuales, contaminante generado por vertimientos industriales que causa
afectación a la salud humana y contaminación del recurso hídrico se producirá un material
adsorbente por medio del uso de una tecnología de pirólisis de biomasa llamado Biochar, que
será utilizado como medio filtrante para su posterior implementación en sistemas de filtración
para remoción de fenoles en el agua, ya que muchos vertimientos industriales se disponen sin
ningún tipo de tratamiento a un cuerpo de agua, además es uno de los factores que genera más
carga contaminante en el agua, en otros casos no se realiza un tratamiento debido por los costos
que conlleva realizarlo. Con esta propuesta se presenta un material económico y sostenible, que
además se obtiene realizando un aprovechamiento de un residuo sólido generado en el proceso
de producción de azúcar y es el bagazo de caña, con el uso de esta materia prima se quiere
también disminuir los impactos que genera la contaminación de la atmósfera y del suelo debido a
la gestión que se realiza actualmente en los ingenios azucareros, es necesario mitigar impactos
ambientales y sociales que generan los vertimientos industriales y residuos agroindustriales en
los recursos naturales.
4
4 Marco de Referencia
4.1 Marco Teórico
4.1.1 Composición de la biomasa
La comisión europea en 2007 definió la biomasa como “material orgánico no fosilizado y
biodegradable, que procede de plantas, animales y microorganismos, incluidos productos,
subproductos, residuos y desechos de la agricultura, silvicultura e industrias relacionadas, así
como las fracciones orgánicas no fosilizadas y biodegradables de residuos industriales y
municipales, incluyendo también los gases y líquidos recuperados de la descomposición de
material orgánico no fosilizado y biodegradable”. (Montoya, y otros, 2014)
La biomasa de origen vegetal, entre la que se cuenta la biomasa residual de origen agrícola, se
compone de tres estructuras básicas de cadenas poliméricas: celulosa, hemicelulosa, lignina y
una pequeña parte de otros compuestos orgánicos, estos se constituyen principalmente de
carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. En la biomasa también está presente el azufre pero en
menores proporciones que el carbono y algunos tipos de biomasa también contienen
proporciones significativas de compuestos inorgánicos. La concentración de ceniza normalmente
está entre el 1% en maderas blandas y hasta el 15% en biomasa herbácea y residuos agrícolas.
(Inyang & Dickenson, 2015)
Tabla 1. Composición química típica de diferentes biomasas
BIOMASA CELULOSA HEMICELULOSA LIGNINA
Bagazo de caña 42.7 33.1 24.2
Cascarilla de arroz 43.8 31.6 24.6
Residuos de banano 32.4 35.3 33.3
Residuos de tabaco 44.6 30.2 25.2
Fibra de coco 52.2 28.4 19.4
Madera 42.0 22.0 36.0
Fuente: (Montoya, y otros, 2014)
5
Otra definición de biomasa engloba todo el material orgánico de origen vegetal, esto incluye
algas, plantas, árboles, cultivos, desechos orgánicos y residuos forestales y agrarios. Existen
diversas clasificaciones de los tipos de biomasa, pero un método sencillo es agruparlos en
función de su contenido en humedad, ya que este es uno de los parámetros determinantes a la
hora de elegir el proceso de conversión más adecuado. (Urien, 2013)
4.1.2 Biochar
El Biochar producido durante la pirólisis de biomasa, es un sólido estable, rico en carbón poroso
con gran área superficial, que ha sido utilizado para mejorar la fertilidad del suelo, y remediar
los suelos contaminados, pues tiene una gran capacidad de adsorción de contaminantes orgánicos
e inorgánicos en el agua (Tang, Lv, Gong, & Huang, 2015). Se pueden manejar diferentes
temperaturas para su producción, si se realiza por pirólisis a una temperatura menor o igual a
400°C, tendrá una alta capacidad de intercambio catiónico y la presencia de grupos funcionales
alifáticos en su superficie que determinan la hidrofobicidad del Biochar, si se realiza a una
temperatura mayor o igual a 500 °C tendrá mayor afinidad con el agua y se podrá utilizar en
procesos de filtración y adsorción para la remoción de contaminantes. (Das & Sarmah, 2015)
Sin embargo Las condiciones exactas de la pirólisis (temperatura, tiempo, concentración de
oxígeno, presión, entre otros) dependen en gran medida de la biomasa inicial y de la tecnología
que se utilice, por lo que habrá biochar mejor y peor dependiendo de la propiedad que se analice
y su uso. Aun así, hay algunas propiedades agroquímicas que pueden ser comunes a este tipo de
materiales. Su contenido en nitrógeno es generalmente bajo debido a que se produce una
combustión de la biomasa, a su vez, el contenido en carbono orgánico es bastante alto, muy
resistente a la degradación, y le confiere al material una gran porosidad; presenta una baja
densidad, pH alcalino y en cuanto a los nutrientes, en muchos casos su contenido en fósforo
6
disponible es alto, así como el resto de macro y micronutrientes. Esto depende
fundamentalmente del material utilizado (por ejemplo si se usan materiales óseos o en espinas de
pescado será muy rico en fósforo) pero por lo general, su contenido será ligeramente mayor que
en los productos iniciales, simplemente por la reducción del volumen de la biomasa durante la
pirólisis. (Tortosa, 2005)
El Biochar está emergiendo como un absorbente de bajo costo que se puede utilizar para eliminar
los contaminantes orgánicos e inorgánicos del medio ambiente. (Zhou, y otros, 2014) y debido
que la contaminación del agua por productos químicos orgánicos ha seguido generando un gran
problema medio ambiental que puede llegar afectar la salud humana, son necesarias nuevas
alternativas de aprovechamiento, por lo que las regulaciones ambientales cada vez son más
estrictas y las han incrementado las iniciativas de reutilización, lo que ha proporcionado fuertes
incentivos para desarrollar tecnologías alternativas amigables con el ambiente para el tratamiento
de los contaminantes orgánicos. El biochar se puede utilizar como medio granular en la filtración
convencional. (Inyang & Dickenson, 2015). El rendimiento del biochar se puede calcular
comparando el peso del carbón obtenido con el del bagazo de caña en base seca (Divband, y
otros, 2016)
4.1.3 Pirólisis
Hay diferentes tipos de pirólisis en función de la velocidad de calentamiento y el tiempo de
residencia de la biomasa en los reactores. Se lleva a cabo a través de una serie de reacciones en
las que influyen muchos factores: la estructura y composición de la materia prima, la tecnología
utilizada, la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia, la velocidad de enfriamiento y
la temperatura del proceso.
7
Tabla 2. Tipos de pirólisis en función del tiempo de residencia, la velocidad de calentamiento, temperatura y los
productos obtenidos.
PROCESO TIEMPO DE
RESIDENCIA
VELOCIDAD DE
CALENTAMIENTO
TEMPERATURA
(°C) PRODUCTOS
CARBONIZACIÓN Días Muy lenta 400 Biochar
PIRÓLISIS LENTA 5-60 min Lenta 450-550 Gas, líquido y
biochar
RÁPIDA 0,5-5 seg Muy rápida 650 Bioaceites
FLASH <1 seg Rápida <650 Bioaceites y gas
ULTRARRÁPIDA <0,5 seg Muy rápida 1000 Químicos y gas
HIDROPIRÓLISIS <10 seg Rápida <500 Bioaceites
METANOPIRÓLISIS <10 seg Rápida >700 Químicos
Fuente: (Urien, 2013)
El rendimiento en peso del biochar, depende de las condiciones y los parámetros de operación
del proceso de pirólisis, de la temperatura final y de la composición de la biomasa. Este
rendimiento disminuye rápidamente con el aumento de la temperatura y la velocidad de
calentamiento de la biomasa, al favorecerse de este modo la generación de gases y la formación
de un carbón muy reactivo, de alta porosidad, que evoluciona hacia la formación de compuestos
volátiles. En estas condiciones de rápido calentamiento, se ha comprobado que se produce un
incremento en la formación de alquitrán. (Urien, 2013)
4.1.3.1 Pirólisis lenta
Este tipo de pirólisis es comúnmente utilizado para la producción de biochar y su uso en aguas
residuales, porque su proceso es favorable, la materia prima comúnmente utilizada es
hemicelulosa y celulosa, en su proceso la mayor descomposición ocurre entre 200 y 500 °C. Los
grupos presentes en la superficie se reducen durante el proceso de pirólisis, el incremento de la
temperatura produce biochar con disminución de acides, polaridad en la superficie y un
incremento en aromaticidad. Si el radio O-C es mayor indica que hay una mayor presencia de
8
grupos funcionales y a su vez una mayor capacidad de intercambio catiónico que incrementa
pero luego decrece con el aumento de la temperatura de pirólisis. El pH indica que la mayoría de
biochars producidos por pirólisis lenta son alcalinos y biochars producidos a temperaturas altas
tienen un mayor pH. Todos estos factores afectan la eficiencia de absorción del biochar por lo
que se debe producir en condiciones adecuadas.
Para una alta producción de carbón vegetal el proceso se hace a bajas temperaturas y bajas
rampas de calentamiento. (Castillo, 2009)
4.1.4 Sistemas de filtración
El filtro de carbón funciona principalmente por el proceso de adsorción, lo que significa una
interacción superficial entre las especies disueltas y el carbón, es diferente de absorción, lo que
esencialmente significa "tomar" o "tomar en." Para ser exactos, sin embargo, en el tratamiento de
aguas contaminantes difusos en los poros de carbón (absorción) donde se unen a las superficies
de carbón (adsorción). Esto ha llevado a un amplio uso del término no específico "sorción". La
porosidad y el área superficial grande de carbón proporcionan una multitud de sitios reactivos
para la unión de compuestos disueltos. Un poco de materia orgánica disuelta, presente en todas
las aguas naturales, pueden ocupar lugares en las superficies de carbón y con ello excluir los
contaminantes de interés. (Rodriguez & Molina, 2000)
El tratamiento de las aguas residuales es realizado con el propósito de evitar la contaminación
física, química, bioquímica, biológica y radioactiva de los cursos y cuerpos de agua receptores,
de un modo general el tratamiento persigue, evitar daños a los abastecimientos públicos,
privados e industriales de suministro de agua, a las aguas destinadas a la recreación y el
esparcimiento, a las actividades piscícolas, perjuicios a la agricultura y depreciación del valor de
la tierra y el impacto al entorno ecológico. (Rojas, 2002)
9
El carbón activado es un material que se prepara en la industria para que tenga una elevada
superficie interna y así poder adsorber (retener sobre su superficie) una gran cantidad de
compuestos muy diversos, tanto en fase gaseosa como en disolución. La elevada capacidad de
eliminación de sustancias se debe a la alta superficie interna que posee, si bien porosidad y
distribución de tamaño de poros juegan un papel importante. (Anisuzzaman, Krishnaiah, & Zen,
2016)
Se han realizado varias investigaciones sobre el uso de biochar como medio filtrante para la
remoción de ciertos contaminantes en el agua incentivando su uso en la industria, ya que es un
material que permite no solo remover los contaminantes, sino también darle un tratamiento a los
desechos agrícolas que antes no tenían ninguna utilidad; entre las ventajas que presenta el
biochar, en comparación con las técnicas convencionales se tiene: bajo costo, alta eficiencia,
minimización de productos químicos y lodos biológicos además no se requieren nutrientes
adicionales. (Tejada, Villabina, & Garcés, 2015) Se ha incrementado el uso de biochar como
media filtrante por lo comparamos los resultados en un sistema de filtración de biochar y uno
convencional con carbón activado.
10
4.1.5 Cinética de adsorción de fenoles
Los modelos más utilizados de cinética son pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden, el
estudio de la cinética de adsorción describe la tasa de absorción de solutos y evidentemente, este
tipo controla el tiempo de residencia de adsorbato en la interfaz de la solución sólida.
Figura 1. a) Modelo Pseudo -primer orden y b) Modelo Pseudo- segundo orden para la adsorción de fenol en la
FNAC. (Kumar & Mohan, 2016)
11
En estado de equilibrio la isoterma de adsorción es muy útil para describir cómo se distribuyen
las moléculas adsorbidas entre la fase líquida y la fase sólida. Los modelos de isoterma de
Langmuir, Freundlich y Temkin. (Kumar & Mohan, 2016)
Figura 2. Isotermas de adsorción de fenol y Mo en la FNAC. (Kumar & Mohan, 2016)
4.1.6 Proceso productivo azucarero
La caña se descarga en las mesas alimentadoras y se conduce hacia cuchillas rotatorias que se
encargan de cortar los tallos en pedazos pequeños y desfibradoras que desmenuzan la caña. En la
etapa de molienda se extrae el jugo de la caña a través de un tándem de molinos de 4 mazas,
agregando en el cuarto molino agua a alta temperatura (70 °C) y en los molinos tres y dos se
agrega agua y jugo para obtener la máxima cantidad de sacarosa en un proceso llamado
maceración., en esta etapa se obtiene el jugo mezclado y bagazo de caña. (Dominguez, Bravo,
& Sosa , 2014)
12
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de producción de azúcar estándar en el ingenio caso de estudio.
(Dominguez, Bravo, & Sosa , 2014)
Al finalizar el proceso se genera un residuo llamado Bagazo que actualmente se quema por la
gran cantidad que se genera, la quema de bagazo en la producción de azúcar ha elevado la
emisión de contaminantes en los ingenios ya que no cuentan con calderas adecuadas para estos
procesos. Estos contaminantes pueden generar impactos serios en la salud de las personas que
están cerca a la quema, además se emiten gases de efecto invernadero que provocan problemas
ambientales. (Morales, 2011).
4.1.7 Valoración de impacto ambiental
La matriz de Leopold fue desarrollada en 1971, en respuesta a la Ley de Política Ambiental de
los EE.UU. de 1969, establece un sistema para el análisis de los diversos impactos. El análisis no
produce un resultado cuantitativo, sino más bien un conjunto de juicios de valor. El principal
objetivo es garantizar que los impactos de diversas acciones sean evaluados y propiamente
considerados en la etapa de planeación del proyecto.
13
El análisis del impacto ambiental requiere la definición de dos aspectos de cada una de las
acciones que puedan tener un impacto sobre el medio ambiente. El primer aspecto es la
"magnitud" del impacto sobre sectores específicos del medio ambiente. El término "magnitud" se
usa aquí en el sentido de grado, tamaño, o escala. El segundo aspecto es la "importancia" de las
acciones propuestas sobre las características y condiciones ambientales específicas. La magnitud
del impacto puede ser evaluada en base a hechos; sin embargo, la importancia del impacto se
basa generalmente en un juicio de valor. Los valores numéricos de magnitud (cuantitativos) e
importancia (cualitativos) reflejan un estimado de los impactos de cada acción
El análisis se realiza con la matriz de Leopold (ML) (Leopold et al., 1971). Esta matriz tiene en
el eje horizontal las acciones que causan impacto ambiental; y en el eje vertical las condiciones
ambientales existentes que puedan verse afectadas por esas acciones. Este formato provee un
examen amplio de las interacciones entre acciones propuestas y factores ambientales.
El número de acciones que figuran en el eje horizontal es de 100. El número de los factores
ambientales que figuran en el eje vertical es de 88. Esto resulta en un total de 8,800
interacciones. En la práctica, sólo algunas de las interacciones involucran impactos de tal
magnitud e importancia para justificar un tratamiento detallado.
El siguiente paso es evaluar los números que se han colocado en las casillas. Es conveniente la
construcción de una matriz reducida, la cual consiste sólo de las acciones y factores que han sido
identificados como interactuantes. Debe tomarse especial atención a las casillas con números
elevados. El alto o bajo número en cualquier casilla indica el grado de impacto de las medidas.
La asignación de magnitud e importancia se basa, en la medida de lo posible, en datos reales y
no en la preferencia del evaluador. (Ponce)
14
La matriz reducida final nos presenta una serie de valores que indican el grado de impacto que
una acción puede tener sobre un factor del medio. A pesar de hacer una ponderación o definición
de la importancia de dicho factor, los valores de las distintas cuadrículas de una misma matriz no
son comparables ni, por supuesto, pueden sumarse o acumularse. (Pinto, 2007)
4.1.8 Gestión de residuos industriales
El manejo de los residuos industriales en el mundo es una realidad con la cual conviven todos los
países del mundo. No obstante, no todos tienen la misma conciencia y tienen las herramientas
para lograr dar tratamiento correcto para los residuos que producen.
Los residuos inertes o residuos no peligrosos, por sus características y composición, no presentan
grandes riesgos al medio ambiente ni a la sanidad animal, no afectan a la salud humana. Estos
residuos se pueden depositar, verter o almacenar sin tratamiento previo y solamente se deberán
colocar adecuadamente para no perturbar el espacio físico del entorno del almacenamiento. Los
residuos no peligrosos, como el material orgánico o el de la construcción, son muy importantes
por su volumen, tienen directa relación con la población humana. También se integran los
escombros, escorias, chatarras, vidrios y cenizas.
Los residuos industriales asimilables a residuos urbanos, tienen una composición
fundamentalmente orgánica degradable, que permite su tratamiento con el uso de tecnologías
similares a las empleadas en los procesos de tratamiento de los residuos urbanos (RU). Se
generan, principalmente, en las industrias de los sectores de la alimentación, papel, cartón,
plástico, textiles, maderas y gomas.
15
Los residuos especiales o también llamados Peligrosos (RP), se generan, principalmente, en
actividades industriales. Poseen un potencial contaminante alto y grave riesgo para la salud
humana y para el medio ambiente.
16
5 Metodología
Para el desarrollo del proyecto se implementó una metodología a partir de diferentes
procedimientos con el fin de evaluar la eficiencia de biochar producido con bagazo de caña para
su uso como medio filtrante en el proceso de remoción de fenoles del agua.
Se comparó el material producido con un material convencional, en este caso carbón activado
para analizar el uso del biochar producido en operaciones unitarias para la remoción de fenoles.
La metodología realizada comprende cuatro (4) fases que son:
Fase I. Valoración de impacto y Caracterización del bagazo de caña.
Fase II. Producción y caracterización del Biochar.
Fase III. Dimensionamiento y selección de variables de los filtros piloto.
Fase IV. Evaluación de eficiencia de remoción de fenoles del Biochar.
Figura 4. Resumen de la metodología desarrollada en el proyecto.
Valoración de impacto y
Caracterización del bagazo
• Matriz de Leopold
• Analisis elemental y proximo
Producción y caracterización
del Biochar
• Selección temperatura y tiempo segun rendimiento y textra
• Analisis elemental, proximo y area superficial
Dimsensionamiento y seleccion de
variables filtros piloto
• Tiempo de filtracion y altura del medio.
• Curva de calibracion.
• Analisis elemental, proximo y area superficial
Evaluación de eficiencia de remoción de
fenoles del Biochar
• Evaluación de eficiencia
• Desorción biochar
17
5.1 Fase I. Valoración de impacto y Caracterización del bagazo de caña
5.1.1 Valoración de impacto ambiental del bagazo de caña
La valoración del impacto ambiental del bagazo de caña maneja la matriz de Leopold que
representa un método cualitativo de causa-efecto, esta matriz está constituida por 100 columnas
en las que se representan las acciones del proyecto, y 88 filas relacionadas con factores
ambientales, con un total de 8.800 posibles interacciones. (Martinez, 2010).
El principio básico del método consiste, inicialmente, en señalar todas las posibles interacciones
entre las acciones y los factores, para luego establecer, en una escala que varía de 1 a 10, la
Magnitud e Importancia de cada impacto identificando si éste es positivo o negativo. Cada celda
de interacción se divide con una diagonal y se procede del siguiente modo:
1. En la parte superior izquierda se indica la magnitud del impacto, es decir, el grado de
extensión o escala del impacto precedido del signo + o - según sea un impacto positivo o
negativo. La magnitud se puntúa del 1 al 10.- 1 si la alteración es mínima y 10 si es
máxima (el cero no es válido).
2. En la parte inferior derecha se señalará la importancia, es decir, el grado de intensidad o
grado de incidencia de la acción impactante sobre un factor. La importancia se puntúa del
1 al 10 (el cero no es válido). (Martinez, 2010)
18
5.2 Fase II. Producción y caracterización del Biochar
5.2.1 Producción de Biochar
5.2.1.1 Selección de variables adecuadas para la producción del material.
Inicialmente fue necesario establecer la humedad del bagazo de caña, temperatura y tiempo de
pirólisis, partiendo de datos teóricos para finalmente seleccionar condiciones adecuadas para la
producción del biochar.
La humedad del bagazo de caña se determinó por método gravimétrico, se pesaron cuatro
gramos (4 g) de bagazo de caña en una cápsula de porcelana que fue previamente secada en la
estufa a 110 °C durante 1 hora. El bagazo se secó en una estufa a 110 °C durante 24 horas,
finalmente se tomó el peso final de la cápsula, el procedimiento se realizó por triplicado, según la
norma ASTM C566. (ASTM International, 2004)
Para la selección de temperatura y tiempo de pirólisis se realizaron pruebas tomando un peso
conocido de bagazo de caña, se colocó en una cápsula de porcelana previamente secada a una
temperatura de 110 °C durante una hora y empleando la tecnología de pirólisis lenta en un
pirolizador en atmósfera controlada se variaron las temperaturas de 550, 500, 450 y 400 °C
variando el tiempo de pirólisis de 30, 25, 20, y 15 minutos, se pesó la cápsula obteniendo así el
peso final de biochar obtenido.
Finalmente se tomaron las muestras obtenidas y según su rendimiento y textura fueron escogidas
las mejores condiciones para la producción del material.
5.2.1.2 Producción de biochar.
Para la producción del biochar se tuvo en cuenta la cantidad que se necesitaría para la realización
del proyecto, teniendo en cuenta la densidad del material y la cantidad de muestra necesaria para
19
los análisis de laboratorio y los filtros piloto. En total se realizaron 99 procedimientos de
producción en los que se colocaron de 10 a 25 g de bagazo de caña en una cápsula previamente
secada en una mufla sin entrada de oxígeno, es decir en atmósfera controlada para el correcto
proceso de pirólisis lenta a una temperatura de 450 °C durante 15 minutos, posteriormente el
material se colocó en un desecador hasta que la cápsula estuviera fría para tomar el peso final de
material producido que fue almacenado en bolsas ziplock.
5.2.2 Caracterización de biochar
Para la caracterización de Biochar fue necesario realizar un análisis elemental que consiste en la
determinación de carbono, nitrógeno, hidrogeno, oxígeno y azufre; un análisis próximo teórico
de cenizas y material volátil; y caracterización teórica del área superficial por método BET,
Para el proceso de determinación del análisis elemental se seleccionó un laboratorio calificado,
en este caso Dr. Calderón laboratorio Ltda. Laboratorio al cual se envió una muestra de 500
gramos de biochar con su respectiva cadena de custodia. La caracterización del biochar se
realizó con los siguientes métodos.
Tabla 3. Métodos utilizados para la caracterización de análisis elemental y próximo del Biochar producido
PARÁMETRO MÉTODO
Material volátil y Cenizas Gravimetría
Carbono fijo Análisis elemental (Gravimetría) Ref. LBC 34
Hidrogeno Análisis elemental (Gravimetría) Ref. LBC 34
Oxigeno Análisis elemental (Gravimetría) Ref. LBC 34
Nitrógeno Análisis elemental (Gravimetría) Ref. LBC 34
Azufre Análisis elemental (Gravimetría) Ref. LBC 34
Fuente: Dr. Calderón laboratorio Ltda.
5.3 Fase III. Dimensionamiento y selección de variables de los filtros piloto
Esta fase se realizó con el fin de seleccionar las condiciones adecuadas de filtración, para
garantizar menor concentración de fenoles después del paso por el filtro, teniendo en cuenta el
20
tiempo de filtración, la altura del medio filtrante y el caudal estas variables se seleccionan
realizando un procedimiento experimental de prueba de los filtros piloto, según la concentración
de fenoles a la salida de los filtro realizando pruebas cuantitativas con la técnica de
espectrofotometría de luz UV utilizando Espectrofotómetro SPECTRONIC GENESYSTM con
el método fotométrico directo con 4-aminoantipirina SM 5530D.
Tabla 4. Formato de registro de pruebas para selección de variables de trabajo.
Medio
filtrante
Altura del medio filtrante
(cm)
Caudal
(ml/min)
Tiempo de filtración
(min)
Concentración de Fenoles
después del filtro (mg/L)
Carbón
activado
10
15
20
25
Fuente: Autores
5.3.1 Dimensionamiento y Construcción de filtros piloto
Para el dimensionamiento y construcción de filtros piloto que se utilizaran posteriormente para
la selección de variables de trabajo se estableció un diámetro de 0,02 m medida que permitió
utilizar un tubo de presión de una media pulgada (1/2”) (0,0127 m); para garantizar una altura de
fondo equivalente a ¼ de la altura del medio filtrante se cortaron 4 tubos de 6 cm y 4 tubos de
56 cm para permitir un área libre arriba del medio filtrante de 31 cm que equivale a un ½ de la
altura total del filtro, se instaló una malla como soporte del medio y se utilizó una unión para la
respectiva tubería, teniendo así un filtro piloto con una altura total de 62 cm. El mismo
procedimiento se realizó para 4 filtros de carbón activado con alturas de medio de 10, 15, 20 y 25
cm.
21
5.3.2 Curva de calibración
Para la curva de calibración se utilizó la técnica de espectrofotometría de luz UV para la
determinación fenoles con el método fotométrico directo de 4-aminoantipirina, este método se
basa en la reacción que los compuestos fenólicos en presencia de 4-aminoantipirina a pH de 7,9
en presencia de ferricianuro de potasio para formar un tinte de antipirina coloreado, este tinte se
mantiene en solución acuosa y se mide a 500nm con espectrofotómetro SPECTRONIC
GENESYSTM 5. Según el método fotométrico directo con 4- aminoantipirina SM 5530D para
determinación de fenoles. (Clesceri, Greenberg, & Trussel, 1992)
El método consiste en preparar un blanco con agua destilada y una serie de patrones de fenol de
5, 10, 20, 40, 60, 80 y 100 mg/L, tanto al blanco, los patrones y la muestra se realizó el
siguiente procedimiento:
Figura 5. Método fotométrico Directo de 4-aminoantipirina
INICIO
Añadir 0,25 ml de NH4OH (Hidróxido de amonio) al 0,5N
Tomar 10ml de agua destilada, patrones o muestra.
Ajustar el pH a 7,9 ± 0,1 con tampón fosfato
Añadir 0,1 ml de solución 4-aminoantipirina y mezclar bien
Añadir 0,1 ml de K3Fe (CN)6 (ferricianuro de potasio), mezclar
Esperar 15 min y pasar a celdas de cuarzo para medir absorbancia en
espectrofotómetro a 500nm.
FIN
22
Para realizar la curva de calibración se tomaron las concentraciones de los patrones como eje x y
las respectivas absorbancias como eje y, una vez construida la curva de calibración calculó la
concentración de fenoles en mg/L de fenol.
5.3.3 Selección de Variables de trabajo
Una vez se dimensionaron los filtros se estableció un caudal que permitiera un tiempo de
filtración mínimo de 20 minutos en todos los filtros piloto, realizando pruebas experimentales
con variación de caudal para garantizar el tiempo mínimo.
Después de establecer el caudal se realizó un montaje con el dosificador de caudal y los cuatro
filtros permitiendo el paso de agua con una concentración de 100 mg/L de fenol, se tomaron
muestras de 10ml después del paso por los filtros, se calculó la concentración de fenoles por el
método fotométrico directo de 4-aminoantipirina y se seleccionó el mejor filtro para realizar la
prueba con el biochar producido y poder comparar con el filtro de carbón activado.
5.4 Fase IV. Evaluación de eficiencia de remoción de fenoles del Biochar
5.4.1 Evaluación de eficiencia
Para evaluar la eficiencia de los filtros piloto de carbón y biochar a la altura, caudal y tiempo de
filtración óptimos se realiza inicialmente un proceso experimental, en el que se realizó un
montaje de los filtros teniendo en cuenta las variables seleccionadas en la fase anterior (caudal,
tiempo de filtración y altura de medio filtrante), por estos filtros pasa una muestra de agua con
una concentración inicial de 100 mg/L de fenol, se toma una muestra de 10ml después del paso
por los filtros y se calcula la concentración final de fenoles por el método fotométrico directo de
4-aminoantipirina.
23
5.4.2 Desorción de felones en biochar
Al realizar la desorción de fenoles se agregó el biochar usado como medio filtrante, a un frasco
de vidrio con tapa de 250 ml, se agregaron 150 ml de agua destilada para una muestra de biochar
de 50 ml y 100 ml de agua destilada para una muestra de 25 ml, se dejó durante 2 horas en un
agitador tipo shaker orbital a 70 rpm, pasado el tiempo se realizaron las filtración necesarias
para tomar una muestra de 10 ml sin interferencias y se calculó la concentración de fenoles por
el método fotométrico directo de 4-aminoantipirina. El procedimiento anterior se repitió hasta
que la muestra de 10 ml tuviera una mínima concentración de fenoles, asegurando así la máxima
desorción de fenoles en el biochar.
24
6 Resultados y Análisis
Según la metodología aplicada en el proyecto se desarrolló cuatro fases, a continuación se
presentan los resultados obtenidos en cada una de las fases.
6.1 Fase I. Valoración de impacto y Caracterización del bagazo de caña
Existen efectos sobre diferentes componentes ambientales tales como: el componente hídrico, el
componente suelo, el componente biótico (flora y fauna), el componente atmosférico y sus
repercusiones sobre la salud de los habitantes cercanos a la región de la quema. (Madriñan,
2002). Cada uno se estos componentes afectados se describen a continuación.
6.1.1 Valoración de impacto ambiental del bagazo de caña
Siguiendo la metodología de valoración de impacto ambiental del bagazo de caña, la matriz de
Leopold que se desarrolló tiene 175 interacciones con 5 acciones que pueden causar efectos
ambientales y 35 características o condiciones del medio susceptibles de alterarse. (Anexo A)
Las Características o condiciones del medio susceptibles de alterarse se seleccionaron teniendo
en cuenta lo siguiente:
6.1.1.1 Características físicas y químicas
En las características físicas y químicas que se pueden ver afectadas se tuvieron en cuenta el
componente suelo, componente hídrico, componente aire y los procesos ambientales que se
podían ocasionar.
6.1.1.1.1 Componente Suelo
La práctica de la quema del bagazo de caña está teniendo graves consecuencias desde el punto
de vista ambiental afectando la calidad de los suelos, pues promueve la erosión por la
eliminación de la cubierta vegetal, además ocurre perdida de la fertilidad, ya que esta actividad
25
provoca la pérdida de nitrógeno en la tierra, disminuyendo la población de microorganismos y el
material orgánico. (Dominguez, Bravo, & Sosa , 2014)
6.1.1.1.2 Componente Hídrico
Las fuentes hídricas cercanas a la quema de caña se ven afectada por el material particulado que
los vientos permiten que a sus cauces, esto disminuir la calidad del agua afectando el ecosistema
de muchos organismos que allí habitan, además de elevar su temperatura pues la quema es un
proceso térmico que a su vez calienta las masas de aire que junto con las emisiones de gases
contaminantes provocan lluvias acidas que caen sobre todo el territorio es decir afectando los
componentes hídricos, componente suelo y componente atmosférico.
6.1.1.1.3 Componente atmosférico
El componente atmosférico es uno de los componentes más afectado por la quema de la caña por
el aumento de gases contaminantes, partículas en suspensión y alteración de microclimas.
La quema es un proceso que desprende gran cantidad de calor, con lo que se incrementan los
niveles de evaporación del agua contenida en la materia vegetal y el suelo. El aire húmedo es
sobrecalentado, elevándose así los vapores al igual que las partículas de cenizas que operan
como núcleos higroscópicos en el momento en que la masa de aire alcanza la temperatura de
condensación lo que provoca la formación de nubes. Este tipo de afectaciones produce a su vez
una alteración de microclimas. (Madriñan, 2002)
Por otra parte las cenizas y humos que se generan reducen la visibilidad y contribuye al
fenómeno del efecto invernadero además que emite al aire, monóxido de carbono, hidrocarburos
y óxido de azufre, contribuyendo al deterioro de la calidad del aire y generan un impacto
ambiental negativo sobre todo en las poblaciones asentadas alrededor de las áreas de cultivo de
26
la caña. Cabe resaltar de muchas de las partículas tienen el potencial de permanecer en la
atmósfera por períodos prolongados de tiempo, a menos que sean removidas por la lluvia o por
un proceso lento de coagulación y de posterior sedimentación gravitacional. (Madriñan, 2002).
Los resultados de la práctica de quemas son de diversa naturaleza y se afectan diferentes
organismos pues se destruye su hábitat como sucede con la superficie donde se encuentra la
lombriz de tierra, la cual ventila la tierra facilitando el drenaje del agua y evita inundaciones.
6.1.1.2 Condiciones Biológicas
La quema del bagazo de caña antes de la cosecha (directamente en el suelo) pone en peligro
ecosistemas y provoca una gran desestabilidad para la flora y la fauna, pues se ven
interrumpidos ciclos de vida y cadenas tróficas. Al aumento de la nubosidad antes explicado,
disminuye la incidencia directa de los rayos solares sobre la superficie, es decir, se disminuye el
calentamiento y los procesos de fotosíntesis.
Uno de los organismos afectados son las aves como los pájaros de la zona, ya que los humos
provocan su huida y a su vez afecta el control de insectos y reptiles, los animales acuático
también se ven afectados por la contaminación que se provoca a las fuentes hídricas cercanas por
el material de cenizas y humo que puede llevar a su hábitat.
6.1.1.3 Factores Culturales y Sociales
Se puede observar en la figura anterior la gran cantidad de humo y cenizas que ocasionan la
quema de la caña, teniendo grandes repercusiones en el medio ambiente así como problemas de
salud para la humanidad. Cabe mencionar que los humos en la quema de caña provoca
contaminación, ya que emite al aire, monóxido de carbono, hidrocarburos y óxido de azufre,
gases que inciden directamente en el aumento de enfermedades como bronquitis crónica,
27
enfisema pulmonar y asma bronquial, entre otras, que afectan a la población colindante y en
especial, a los menores. (Morales, 2011)
De igual manera la ceniza y el humo generado, producen dificultades en la visibilidad, lo que se
torna sumamente peligroso en el caso de carreteras o aeropuertos cercanos al lugar de la quema,
a la vez que afecta el paisaje, posibles espacios de uso recreativo, residencial y agrícola,
contamina ríos y lagos cercanos a la quema.
En cuanto al nivel cultural de la población cercana a la quema se involucran factores como la
calidad de vida, salud y seguridad, densidad de población y oferta de empleo. En cuanto a
calidad de vida se ve relacionado con la salud y la seguridad que se ve gravemente afectada
principalmente por la contaminación atmosférica que genera enfermedades respiratorias, pues la
inhalación de partículas irritantes puede interferir principalmente el funcionamiento pulmonar,
agravando la bronquitis crónica, la enfermedad constrictiva ventilatoria crónica, el enfisema
pulmonar y el asma bronquial. Afectando a la población colindante y en especial, a los menores.
(Morales, 2011)
Según el manejo del bagazo de caña, ya sea su almacenamiento o quema que se realiza en
campos cultivados cuando van a ser recolectados, una práctica utilizada para facilitar la
visibilidad, a la hora de cortar la caña, ya que se elimina el bagazo así evitando el deshoje
manual y por tanto reduciendo costos de mano de obra. Al realizar esta práctica se emiten gases
contaminantes de efecto invernadero además de cenizas y humos. (Morales, 2011) Las acciones
que pueden causar efectos ambientales tanto positivos como negativos son las siguientes y se
exponen en la Matriz de Leopold (Anexo A.)
A. Almacenamiento de residuos agroindustriales
28
B. Quema de residuos agroindustriales
C. Producción de Cenizas
D. Producción de Humos
E. Producción de Gases
La valoración del impacto ambiental analizado es representada por la siguiente figura
Figura 6. Representación gráfica de valoración de Matriz de Leopold según Anexo A.
La figura 6. Nos permite observar que los impactos que se encuentran en el primer (I) cuadrante
son los impactos positivos generados por el manejo actual que se le da al bagazo de caña que a
comparación de los impactos negativos generados, que se encuentran en el tercer (III) cuadrante
son mínimos, es decir que la mayoría de impactos son negativos.
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10IMP
OR
TAN
CIA
MAGNITUD
IMPACTO TOTAL
I II
III IV
29
6.1.2 Caracterización del bagazo de caña
Los datos del análisis elemental C, H, O, N, S y del análisis próximo de cenizas y material volátil
se tomaron de información de datos teóricos. Los resultados obtenidos para el análisis elemental
del bagazo de caña son
Tabla 5 Análisis elemental del bagazo de caña
Muestra C (%) H (%) O (%) N (%) S (%)
1 42,9500 5,5643 51,2564 0,2293 0
2 39,8883 5,1552 54,7289 0,2259 0
3 43,8004 5,7042 50,2678 0,2276 0
Promedio 42,2129 5,4746 52,0844 0,2276 0
Fuente: (Manals, Penedo, & Salas, 2015)
En cuanto al análisis próximo del bagazo de caña tenemos que
Tabla 6 Análisis próximo del bagazo de caña
Parámetro Valor
Humedad (%) 6,77*
Densidad (g/cc) 0,12
Cenizas (%) 1,26
Volátil (%) 68 - 70
Fuente (Manals, Penedo, & Salas, 2015), *Autores
El bagazo de caña se caracteriza por tener un alto contenido de oxígeno, dentro de su
composición elemental es el elemento que tiene en mayor proporción más de la mitad de su
composición, en cuanto a la composición de carbono también presenta un porcentaje aunque
menor a la cantidad de oxigeno representa un porcentaje de 42% de la composición del bagazo.
La composición de hidrogeno y nitrógeno es reducida mientras la composición de azufre es
totalmente nula.
El porcentaje de material volátil es alto por lo que el bagazo es un material que hace combustión
fácilmente y genera una gran cantidad de productos gaseosos y líquidos. El contenido de cenizas
30
del material es bajo, por lo que no se formaran depósitos en las paredes del pirolizador y a su vez
minimizara los costos de operación del equipo.
6.2 Fase II. Producción y caracterización del Biochar
6.2.1 Producción de Biochar
Para la producción del material fue necesario seleccionar las condiciones de pirólisis lenta del
bagazo de caña para obtener un carbón que cumpliera con las propiedades necesarias para
remover fenoles en matriz acuosa.
6.2.1.1 Selección de variables adecuadas para la producción del material.
Gracias a la selección de estas variables se busca elegir la mejor opción en cuanto a condiciones
adecuadas para realizar el proceso de pirólisis lenta del bagazo de caña y así generar un producto
que pueda ser utilizado como medio filtrante para remover fenoles del agua.
En cuanto a la humedad del bagazo de caña se realizaron pruebas gravimétricas por triplicado.
Teniendo el peso inicial de la cápsula (Wci) y el peso inicial del bagazo (Wbi) en este caso 4
gramos, después del secado se obtuvieron como datos finales el peso final de la cápsula con el
bagazo (Wcf), para obtener el peso final de bagazo se realiza la siguiente operación
Para la cápsula 1 tenemos que Wci es 22,1218 gr y Wcf es 25,8611 g por lo tanto
Teniendo estos datos se obtuvo el valor de la humedad de la siguiente manera
( )
31
Para la cápsula 1 tenemos Wbi es 4,0050 gramos y Wbf es 3,7393 gramos por lo tanto
( )
( )
Entonces el porcentaje de humedad será
( ) ( )
( )
Los resultados para todas las muestras fueron los siguientes
Tabla 7 Resultados de humedad del bagazo de caña
Prueba WBi (g) WCi (g) WCf (g) WBf (g) Humedad (g) % Humedad
1 4,0050 22,1218 25,8611 3,7393 0,2657 6,63
2 4,0017 20,4861 24,2026 3,7165 0,2852 7,13
3 4,0011 21,8640 25,6027 3,7387 0,2624 6,56
Promedio 6,77
Fuente: Autores
Por lo tanto se determinó que la humedad del bagazo de caña es de 6,77% por lo que para la
producción de carbón no fue necesario realizar el secado del material previo a la pirólisis, la
humedad que tiene la materia prima utilizada es adecuada para emplear la tecnología de pirólisis
lenta. Esto permite que el rendimiento del proceso no se vea afectado y se logre un buen
rendimiento durante el proceso, así el material alcanzara la temperatura necesaria para su
producción.
32
En cuanto a la temperatura y tiempo de pirólisis para cada prueba se tomaron datos del peso
inicial de la cápsula vacía (W0), el peso inicial de bagazo (Wi) y el peso final de la cápsula con
biochar (Wf) teniendo estos datos se obtuvo el rendimiento de la siguiente manera, para la
prueba 1 realizada a 500 °C durante 40 minutos.
( )
( )
[ )
]
Los resultados para todas las pruebas fueron los siguientes
Tabla 8. Resultados de pruebas para selección de temperatura y tiempo para la producción de Biochar a partir de
bagazo de caña.
Prueba Temperatura
(°C)
Tiempo
(min) W0 (g) Wi (g) Wf (g)
Rendimiento
(%)
1 550 40 132,7754 5,0006 132,85390 1,2718
2 500 30 132,7532 5,0046 132,9276 3,4848
3 450 30 84,9796 5,0011 85,3595 7,5963
4 450 25 84,9747 5,0033 85,5667 11,8322
5 450 20 82,9119 4,9997 83,4887 11,5367
6 450 15 84,9742 5,0037 85,8999 18,3005
7 400 30 82,9127 5,0002 83,5452 12,6495
8 400 25 84,9758 5,0000 85,8364 19,2520
9 400 20 82,9117 5,0029 83,8364 18,4833
Fuente: autores
Según los resultados obtenidos se estableció que las condiciones adecuadas para la producción
de biochar a partir de bagazo de caña son a 450 °C durante 15 minutos. Las condiciones fueron
seleccionadas teniendo en cuenta el uno de los mayores porcentaje de rendimiento, además de
pruebas de textura al tacto mirando la granulometría del material, es decir un material más
33
consistente, que no se desboronara ni se volviera polvo, según esto se eligieron las pruebas
número 5 y 6.como los materiales con mejor textura.
Aunque la opción seleccionada no es la que presenta un mayor rendimiento se optó por la prueba
número 6 obteniendo un rendimiento de 18,3005% que a pesar de no tener el rendimiento más
alto obtenido dentro de las pruebas realizadas, su elección se hizo debido a su textura granulosa
para las pruebas realizadas a una temperatura de 400 °C se observó una textura menos favorable
que se desboronaba y se volvía polvo.
Las condiciones seleccionadas aportan además de la producción de un material a condiciones
adecuadas de pirólisis lenta, un alto rendimiento y a su vez una producción efectiva y más rápida,
teniendo así un proceso productivo ágil.
La pirólisis lenta presenta rangos de temperaturas y tiempos amplios, aunque para cada tipo de
biomasa estas condiciones varían; para la producción de biochar dependiendo del tipo de materia
prima utilizada se deben establecer las condiciones de temperatura y tiempo de pirólisis. En este
caso las variables seleccionadas para el bagazo de caña se encuentran dentro de los rangos
establecidos por la teoría, es decir a temperaturas entre 450 a 550 °C y tiempos de 5 a 60
minutos.
La tecnología fue aplicada en atmósfera controlada a 450 °C durante 15 minutos, lo que nos
indica que el bagazo de caña requiere de un tiempo de pirólisis entro de los valores bajos del
rango teórico para su transformación, en cuanto a la temperatura también se acerca más al límite
de valores bajos del rango establecido, dado que a temperaturas más altas el rendimiento del
proceso es muy bajo entre 1 a 5%, mientras que a temperaturas más bajas hay rendimientos
mayores al 10%.
34
Es posible realizar un proceso con bajos requerimientos energéticos teniendo en cuenta el
tratamiento de la materia prima, pues después de un proceso de secado al ambiente la humedad
del bagazo es óptima para emplear la tecnología sin necesidad de realizar proceso de secado en
estufas, además el tiempo de pirólisis y temperatura se encuentran cercanos al límite más bajo
del rango.
6.2.1.2 Producción de biochar.
Para la producción del biochar se tuvo en cuenta la cantidad de material necesario en la
construcción de los filtros piloto y la realización de análisis de laboratorio, para el caso del
análisis elemental fueron necesarios 500 gramos, para el análisis próximo 10 gramos, y para los
filtros se estimó alrededor de 40 gramos por lo que se aproximó a un total de 550g de biochar
requerido.
Para obtener el dato de cantidad de biochar producido por cada proceso de pirólisis se tomaron
datos del peso inicial de la cápsula vacía (Wi), la cantidad de bagazo agregado (B) y del peso
final de la cápsula con biochar (Wf), una vez registrados estos datos se calculó el total de gramos
producidos así
( )
Para el primer proceso realizado se tiene Wf = 88,2525g y Wi= 84,9564 teniendo que B=
10,2448g
( )
( )
Además se calculó para cada proceso el rendimiento así
35
En resumen se obtuvieron los siguientes resultados, los datos obtenidos para cada uno de los 99
procesos desarrollados (Anexo B)
Tabla 9 Resumen resultados de la producción de biochar a partir de bagazo de caña
Total de biochar producido (g) 556,9414
Promedio de rendimiento (%) 28,4
Fuente: Autores
El promedio del rendimiento obtenido durante el proceso de producción del biochar es mayor al
rendimiento obtenido durante el proceso que se realizó para seleccionar las variables de
aplicación de la tecnología de pirólisis lenta. Se evidencio un aumento en el rendimiento
teniendo en cuenta que en el proceso de producción por cada uno de los procesos realizados se
transformaron de 10 a 25 gramos de bagazo de caña, tendiendo así un rendimiento de 28,4% lo
que nos permite tener un proceso de producción eficaz y sea posible producir 22,5027 gramos de
biochar por hora.
6.2.2 Caracterización de biochar
En cuanto al análisis elemental (C, H, O, N, S) que fue realizado en el laboratorio Dr. Calderón
laboratorio Ltda. Según la muestra No. 20637 y la orden de T# 57542 se obtuvieron los
siguientes resultados. (Anexo C)
Tabla 10 Resultados de análisis elemental del biochar producido a partir de bagazo de caña
36
Análisis Elemental Resultados Base Húmeda (%)
Carbono (C) 75,34
Hidrogeno (H) 4,50
Oxigeno (O) 13,48
Nitrógeno (N) 0,48
Azufre (S) 0,16
Fuente: Laboratorio Dr. Calderón
Teniendo en cuenta los datos obtenidos del análisis elemental del biochar producido y los datos
teóricos tomados de la composición del bagazo de caña, se evidencia un aumento en el
porcentaje de carbono de 33,1271 siendo un contenido de carbono alto según el resultado
esperado, este aumento se genera por la descomposición de la lignina debido a que el bagazo de
caña fue expuesto a temperaturas entre 200 a 500 °C, que a su vez influyo en la disminución de
hidrogeno y oxígeno, siendo la disminución del oxígeno de 38,6044%, (Primera, Colpas, Meza,
& Fernández, 2011) en cuanto al nitrógeno y azufre también aumentaron después de la
transformación del bagazo de caña en biochar pero en menor medida.
Para el análisis próximo y el análisis de área superficial se tomaron datos teóricos de biochar
producido a partir de bagazo de caña a una temperatura de pirólisis 500 °C durante una hora
según el estudio realizado por (Vacca, y otros, 2012)
Tabla 11 Resultados análisis próximo y de área superficial de biochar producido a partir de bagazo de caña y
carbón activado comercial
Parámetro Biochar bagazo caña Carbón activado comercial
Humedad (%) 2,7 4,2
Densidad (g/cc) 0,2533* 0,3870
Cenizas (%) 17,5 8,3
Volátil (%) 22,3 -
Área Superficial (m2/g) 1293 794
Volumen total de poros (cm3/g) 1440 1016
Fuente: (Vacca, y otros, 2012) ,*Autores
37
Según los datos teóricos tomados para el análisis próximo del bagazo de caña y del biochar
producido a partir de bagazo de caña se evidencia una disminución en la humedad y en
comparación con el carbón activado comercial la humedad es menor debido a la composición de
la materia prima utilizada; en cuanto al porcentaje de cenizas aumento después de la
transformación del bagazo de caña en biochar debido a la posible presencia de minerales
inorgánicos. El porcentaje de material volátil disminuyo por lo que tiene menos cantidad de
productos gaseosos que se desprenden durante el calentamiento del biochar.
6.3 Fase III. Dimensionamiento y selección de variables de los filtros piloto
6.3.1 Dimensionamiento y Construcción de filtros piloto
Ya establecido un diámetro estándar de 0,02m para todos los filtro piloto y teniendo como alturas
del medio 10, 15, 20, y 25 cm se establecen las dimensiones del filtro, teniendo en cuenta que la
altura de fondo debe ser de ¼ de la altura del medio, tenemos que la altura de fondo será
La altura del área libre debe ser ½ de la altura total del filtro por lo tanto será
La altura total del filtro piloto será
Teniendo en cuenta el diámetro establecido se calculó el área y volumen del filtro así
38
( )
Teniendo en cuenta la altura total del filtro
Al realizar las pruebas con cada filtro se estableció un caudal de 0,6 ml/min con el fin de
garantizar un tiempo mínimo de contacto con el medio de 20 minutos para todos los filtros
piloto.
Tabla 12 Dimensionamiento filtros piloto para la selección de variables de trabajo de las pruebas de eficiencia de
remoción de fenoles de biochar.
Parámetro Convención Unidad Valor
Caudal Q ml/min 0,6
Área A cm2 5,07
Diámetro D cm 1,27
Altura medio hm cm 25
Altura fondo hf cm 6,25
Altura Área libre hl cm 31,25
Altura total H cm 62,5
Volumen V cm3 316,69
Fuente: Autores
6.3.2 Curva de calibración
Se estableció una curva de calibración, con el fin de conocer la concentración de fenoles presente
en el agua después de su paso por cada filtro, teniendo en cuenta patrones con concentraciones
de 1, 5, 10, 20, 40, 60 y 80 mg/L de fenol, aplicando el método fotométrico directo de 4-
aminoantipirina a un blanco y a todos los patrones se midieron las absorbancias con una longitud
de onda de 500nm se obtuvieron los siguientes resultados.
39
Tabla 13 Resultados de absorbancia de los 7 patrones para realizar la curva de calibración para medición de
concentración de fenoles después del paso por el filtro
Concentración (mg/L) Absorbancia
0 0,000
1 0,035
5 0,132
10 0,246
20 0,477
40 0,828
60 0,950
80 0,995
Fuente: Autores
Teniendo en cuenta los datos obtenidos se realizó la curva de concentración vs absorbancia
Figura 7. Curva de calibración de fenoles realizada con patrones de 1, 5, 10, 20, 40, 60 y 80 mg/L
En esta curva se observa linealidad hasta valores aproximados de absorbancia de 0,477 valor que
corresponde a una concentración de 20 mg/L, para el caso de la curva presentada el coeficiente
de correlación es de 0,9107 debido a esto se decidió tomar los puntos de 1, 2, 10, 20 mg/L y así
contar con un coeficiente de correlación más cercano a 1.
y = 0,0127x + 0,1312
R² = 0,9107
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
0 20 40 60 80 100
Ab
sorb
an
cia
Concentración (mg/L)
Curva de calibración de Fenoles 7 puntos
Curva de Calibración
Lineal (Curva de
Calibración)
40
También es importante resaltar que se esperaba una eficiencia de remoción mínima del 80%, por
lo cual teniendo una concentración inicial de 100 mg/L, se esperaban concentraciones menores a
20 mg/L por lo que la ecuación de la curva de calibración se manejó con los puntos de
concentración de 1, 5, 10 y 20 mg/L asegurando un coeficiente de correlación cercano a 1
Figura 8. Curva de calibración de fenoles para la medición de este parámetro después del paso de agua por los
filtros piloto
La ecuación de la curva es
Donde A es la absorbancia y C la concentración de la muestra a medir.
Para el caso del filtro que tiene una altura del medio de 10cm se obtuvo un valor de absorbancia
de 0,007 por lo tanto
Despejando Concentración
y = 0,0232x + 0,0138
R² = 0,9999
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0 5 10 15 20 25
Ab
sorb
an
cia
Concentración (mg/L)
Curva de calibración de Fenoles
Curva de Calibración
Lineal (Curva de
Calibración)
41
Tenemos una incertidumbre o error típico igual a 0,0022
Sin embargo al calcular las concentraciones con la ecuación de la curva de absorbancia, los
resultados fueron negativos, pues los valores de absorbancia eran muy cercanos a cero, por lo
tanto se utilizó la ecuación de absorbancia y transmitancia A= -log10T donde A es absorbancia y
T transmitancia, esta ecuación nos permite tener valores positivos de concentración siguiendo
con los valores de absorbancia obtenidos.
La transmitancia es la fracción de la radiación o luz transmitida por una sustancia, mientras que
la absorbancia es cantidad de radiación o luz absorbida, considerando esto la Ley de Beer indica
que la concentración de la sustancia es directamente proporcional a la cantidad de luz absorbida
o inversamente proporcional al logaritmo de la luz transmitida.
Tenemos que la relación entre absorbancia y transmitancia está dada por la siguiente ecuación:
Despejando T tenemos
Donde A es absorbancia y T transmitancia, sin embargo la transmitancia se expresa
generalmente en porcentaje por lo que el resultado se multiplica por 100 y se expresa en la curva
de calibración de esta manera. Siguiendo con la ecuación para hallar la transmitancia de la
concentración de 1 mg/L según el valor de absorbancia registrado en la Tabla 13 tenemos:
42
Partiendo de la misma ecuación anterior se calculó la transmitancia y el % de transmitancia para
los patrones de 5, 10, 20, 40, 60, 80 mg/L, valores que se registran en la siguiente tabla.
Tabla 14. Resultados de transmitancia y porcentaje de transmitancia para pada patrón de concentración para la
curva de calibración para fenoles
Concentración
(mg/L) Transmitancia
%
Transmitancia
1 0,923 92,257
5 0,738 73,790
10 0,568 56,754
20 0,333 33,343
40 0,149 14,859
60 0,112 11,220
80 0,101 10,116
Fuente: Autores
Al igual que la curva de calibración de absorbancia se realizaron correcciones para tener
finalmente un coeficiente de correlación más cercano a uno, esto se consiguió realizando la curva
con los valores de %T correspondientes a las concentración de 1, 20, 60 y 80 mg/L e insertando
una línea de tendencia logarítmica.
43
Figura 9. Curva de calibración de fenoles según absorbancia y tramitación para la medición de este parámetro
después del paso de agua por los filtros piloto
Entonces la ecuación expresada en % de transmitancia y Concentración es:
Despejamos Concentración
Para realizar la curva de calibración se trabajó con valores de transmitancia que a pesar de ser
tan bajo lo que absorbe la solución con respecto al blanco nos permitiera tener concentraciones
positivas, pues los datos de absorbancia obtenidos no son negativos, por lo que se determinó la
concentración de fenoles en el agua después de su paso por el filtro con la curva de transmitancia
de la Figura 9. Curva de calibración de fenoles según absorbancia y tramitación para la
medición de este parámetro después del paso de agua por los filtros pilotoFigura 9.
y = 0,0232x + 0,0138
R² = 0,9999
y = -19,21ln(x) + 91,832
R² = 0,9975
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0 20 40 60 80
Ab
sorb
an
cia
Concentración (mg/L)
Curva de calibración de Fenoles
Curva Absorbancia
Curva Transmitancia
Lineal (Curva
Absorbancia)
Logarítmica (Curva
Transmitancia)
% T
ran
smita
ncia
44
6.3.3 Selección de variables de trabajo
Una vez se estableció un caudal 0,6 ml/min para todas las pruebas, el tiempo de filtración fue
diferente para cada variación de altura y la concentración de fenoles en el agua después de su
paso por el filtro de carbón activado fue determinada teniendo en cuenta la curva de calibración
de concentración de fenoles de la siguiente manera.
Tenemos que la ecuación de la curva de calibración por % de transmitancia
Para el caso del filtro que tiene una altura del medio de 10cm se obtuvo un valor de absorbancia
de 0,007 por lo tanto primero hallamos el % de transmitancia
y reemplazamos en la ecuación
Tabla 15 Resultados de variables de trabajo de los filtros piloto
Medio
filtrante
Altura del medio
filtrante (cm)
Caudal
(ml/min)
Tiempo de
filtración (min) Absorbancia
Concentración de
Fenoles después del
filtro (mg/L)
Carbón
activado
10 0,6 21,338 0,007 0,710
15 0,6 33,308 0,007 0,710
20 0,6 45,282 0,007 0,710
25 0,6 57,184 0,007 0,710
Fuente: Autores
45
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos se tomó la decisión de realizar las pruebas de filtros
piloto de 10 y 25 cm de biochar para comparar con las concentraciones obtenidas después del
paso por los filtros de carbón activado.
Debido a los tiempos de filtración obtenidos para el filtro que tiene una altura de medio filtrante
de 25cm se decidió aumentar el caudal a 0,8ml/min con el fin de tratar una mayor cantidad de
agua manteniendo el tiempo mínimo de contacto requerido de 20 minutos.
Los valores de absorbancia obtenidos en cada uno de los filtros piloto en los que varía la altura
del medio filtrante fueron iguales, por lo que se realizaron pruebas con biochar con alturas del
medio de 10 y 25 cm para confirmar el comportamiento de la concentración final de fenol según
la variación de altura. En este caso se evidencia que solo es necesario una altura del medio
filtrante de 10 cm para tener la mayor absorción posible que brinda el carbón activado.
6.4 Fase IV. Evaluación de eficiencia de remoción de fenoles del Biochar
6.4.1 Evaluación de eficiencia
Se realizaron pruebas con filtros piloto de 10 y 25 cm con un caudal de 0,6 ml/min y 0,8 ml/min,
el tiempo de filtración fue diferente que los tiempos obtenidos con carbón activo, sin embargo se
aseguraron 20 minutos, la concentración de fenoles en el agua después de su paso de los filtros
de biochar se determinada teniendo en cuenta la curva de calibración de concentración de
fenoles por % de transmitancia.
Tenemos que para el caso del filtro de 25 cm se obtuvo una absorbancia de 0,002 la cual
reemplazamos en la ecuación para hallar el % de transmitancia y así conocer la concentración
según la ecuación dada por la curva logarítmica dada en la curva de calibración.
46
y reemplazamos en la ecuación de concentración según % de transmitancia
Los resultados de las dos pruebas realizadas se presentan a continuación.
Tabla 16 Resultados de pruebas de filtros realizadas con biochar
Medio
filtrante
Altura del medio
filtrante (cm)
Caudal
(ml/min)
Tiempo de
filtración (min) Absorbancia
Concentración de
Fenoles después del
filtro (mg/L)
Biochar 10 0,6 27,845 0,007 0,710
25 0,8 51,882 0,002 0,669
Fuente: Autores
Para el filtro piloto con altura del medio de 10 cm se observa que el tiempo de filtración
utilizando biochar dura 6,507 minutos más que el filtro con carbón activado, en el caso del filtro
de altura del de 25 cm aunque hay una diferencia de caudal los tiempos de filtración son
similares.
El filtro de 25 cm de altura permite manejar un mayor caudal, asegurando un tiempo de
filtración mínimo de 20 minutos y con una concentración de fenoles menor a la de los filtros de
carbón activado.
Para evaluar la eficiencia del biochar como medio filtrante se calculó el porcentaje de remoción
partiendo de una concentración inicial de 100 mg/L según las concentraciones obtenida en las
pruebas siguiendo la siguiente ecuación:
47
Dónde:
Cf = Concentración final de fenoles en mg/L
Ci = concentración inicial de fenoles (200 mg/L)
Según concentración obtenida en filtro de 10 cm de biochar tenemos
Según concentración obtenida en filtro de 25 cm de biochar tenemos
Según los resultados de remoción de fenoles tenemos una eficiencia del 99.995% lo que
demuestra una alta eficiencia del biochar para la remoción de fenoles en matriz acuosa debido a
una alta área superficial y a su vez una alta porosidad como se registra en la Tabla 11, además
de la presencia de grupos funcionales en su superficie.
En comparación con el carbón activado se evidencia que con una altura de medio de 25 cm la
concentración de fenoles después del paso por el filtro de biochar es menor que por el filtro de
carbón activado por lo tanto el biochar tiene un mayor porcentaje de remoción de fenoles que el
carbón activado.
48
6.4.2 Desorción de felones en biochar
Siguiendo la metodología de desorción se obtuvieron datos de absorbancia del agua utilizada
para realizar el procedimiento una vez filtrada, sin embargo el manejo de datos para el cálculo de
concentración se realizó tanto con la ecuación de la recta de absorbancia como con la ecuación
de la curva logarítmicas % de tramitación dadas en las curva de calibración.
Por lo tanto para el caso de la primera desorción realizada para el material utilizado en el filtro de
10 cm se obtuvo una absorbancia de 0,44
Siguiendo la ecuación de la recta
Despejando C
Siguiendo la ecuación de la curva logarítmica
y reemplazamos en la ecuación de concentración según % de transmitancia
49
Se realizó este proceso cuatro veces, con el fin de identificar la presencia de fenoles en el medio
obteniendo los siguientes resultados
Tabla 17 Resultados desorción realizada al biochar utilizado
Medio
filtrante
Altura
medio
filtrante
(cm)
Velocidad de
desorción
(rpm)
N° de
desorciones Absorbancia
% de
Transmitancia
Concentración según
Transmitancia
(mg/L)
Biochar
10 70 1 0,440 36,308 18,000
10 70 2 0,228 59,156 5,479
25 70 1 0,272 53,456 7,372
25 70 2 0,178 66,374 3,763
Carbón
Activado
10 70 1 0,009 97,949 0,727
25 70 1 0,004 99,083 0,686
Fuente: Autores
Según los resultados obtenidos se evidencia la presencia de fenoles en el medio filtrante, para el
caso del biochar el proceso de desorción es más practica debido a que en cada proceso se obtiene
una mayor concentración que en el proceso de desorción realizado con el carbón activado, para
este material puede ser necesario realizar cambios de temperatura o de pH durante el proceso de
desorción. La concentración obtenida del proceso es mayor para el medio de 10 cm de altura,
que a su vez es menor cantidad que el de 25 cm de altura, para el carbón activado se comporta de
la misma manera por lo que a mayor cantidad de material menor va a ser la concentración de
fenol obtenida del proceso de desorción.
50
7 Conclusiones
Se obtuvo un rendimiento de producción de biochar a través de la aplicación de la tecnología de
pirólisis lenta de bagazo de caña que permitió un mayor aprovechamiento del residuo.
Con la construcción de filtros piloto fue posible seleccionar las variables de caudal, tiempo y
altura de medio filtrante que garantizaron condiciones favorables para establecer un punto de
comparación entre el biochar y el carbón activado comercial.
La caracterización del biochar demostró que el bagazo de caña de azúcar posee las propiedades
fisicoquímicas propicias para producir un material que cumple con las características de un
medio filtrante con la capacidad de remover compuestos fenólicos en matriz acuosa.
La eficiencia de remoción de compuestos fenólicos del medio filtrante es alta debido a sus
propiedades de alta área superficial, alta porosidad y una superficie enriquecida con grupos
funcionales.
Se evidencia la presencia de fenoles en el biochar después de realizar el proceso de filtración por
lo que se tiene la certeza de que el fenol fue absorbido por el medio filtrante.
La investigación realizada puede ser aplicada a nivel industrial para generar un medio filtrante
con menos requerimientos energéticos y económicos para el su implementación en unidades de
tratamiento de aguas residuales, además de realizar el aprovechamiento de un residuo
agroindustrial.
El impacto ambiental del bagazo de caña es negativo generado en su mayoría por la quema del
residuo agroindustrial, afectando principalmente a la atmósfera y a la salud y seguridad de
quienes se encuentran cerca a la quema.
51
El proceso de desorción se desarrolló más fácil con el biochar que con el carbón activado, por lo
que el biochar producido a partir de bagazo de caña tiene una mayor capacidad de reutilización.
52
8 Recomendaciones
Se recomienda evaluar la eficiencia de remoción del biochar para otros contaminantes presentes
en aguas residuales industriales para promover su uso en plantas de tratamiento.
Estudiar con mayor detalle el área superficial del biochar producido con bagazo de caña a la
condiciones de temperatura y tiempo de pirólisis manejadas en este trabajo.
En lo que respecta a la remoción de fenoles se recomienda hacer estudios del biochar producido
en las mismas condiciones trabajadas, en este caso con muestras de agua residual industrial.
Se recomienda estudiar la estructura del fenol que se obtiene después del proceso de desorción
del biochar con el fin de proponer alternativas de aprovechamiento del fenol como desinfectante
o insecticida.
Se recomienda abordar un estudio donde se evalué la vida útil del Biochar teniendo en cuenta la
cantidad de desorciones que se necesita y es posible realizar.
53
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56
10 Anexos
Anexo A. Matriz de Leopold
57
58
Anexo B
Datos de producción de biochar
cápsula Wi Bagazo Wf Wf-Wi %R
1 84,9564 10,2448 88,2525 3,2961 32,2%
2 82,8991 10,485 86,3012 3,4021 32,4%
3 75,8729 14,9975 79,5859 3,713 24,8%
4 97,6695 15,0167 101,826 4,1565 27,7%
5 84,9749 15,3000 88,9486 3,9737 26,0%
6 82,9112 15,0039 86,7364 3,8252 25,5%
7 75,9053 15,0260 79,7659 3,8606 25,7%
8 97,6961 15,0929 101,5150 3,8189 25,3%
9 84,9967 15,6466 89,0734 4,0767 26,1%
10 82,9401 15,7359 86,9916 4,0515 25,7%
11 75,9163 16,5876 80,5114 4,5951 27,7%
12 97,7181 13,6326 102,1556 4,4375 32,6%
13 85,0134 17,6728 89,5758 4,5624 25,8%
14 82,9729 17,4153 87,7845 4,8116 27,6%
15 75,9461 17,6368 80,6916 4,7455 26,9%
16 97,7414 21,3334 103,6699 5,9285 27,8%
17 82,8992 17,1116 88,3256 5,4264 31,7%
18 84,9569 20,2089 90,4431 5,4862 27,1%
19 75,8877 18,179 80,8210 4,9333 27,1%
20 97,6823 18,1817 102,6981 5,0158 27,6%
21 82,9107 17,6175 87,5564 4,6457 26,4%
22 84,9791 20,0092 90,5756 5,5965 28,0%
23 75,9128 18,0067 80,7915 4,8787 27,1%
24 97,7044 20,2778 103,8532 6,1488 30,3%
25 82,9247 18,1006 87,5209 4,5962 25,4%
26 84,9927 20,1616 90,4749 5,4822 27,2%
27 75,9134 20,0705 81,5029 5,5895 27,8%
28 97,7311 20,1663 103,8532 6,1221 30,4%
29 82,9362 20,1085 88,7759 5,8397 29,0%
30 85,0108 20,6351 93,1735 8,1627 39,6%
31 75,9301 20,1946 81,8112 5,8811 29,1%
32 97,7601 20,1286 103,6628 5,9027 29,3%
33 85,0536 20,1775 90,45 5,3964 26,7%
34 75,9691 20,0957 81,6328 5,6637 28,2%
35 97,8051 20,1572 103,7006 5,8955 29,2%
36 75,891 18,7673 80,9392 5,0482 26,9%
59
cápsula Wi Bagazo Wf Wf-Wi %R
37 84,9646 20,1563 90,8906 5,926 29,4%
38 97,716 20,2803 103,5652 5,8492 28,8%
39 77,6054 20,1971 83,1552 5,5498 27,5%
40 75,9228 20,4516 81,3648 5,442 26,6%
41 85,0162 20,1534 90,416 5,3998 26,8%
42 97,7585 19,9986 103,403 5,6445 28,2%
43 77,6532 20,0825 83,3509 5,6977 28,4%
44 75,9722 16,13 81,3626 5,3904 33,4%
45 85,0542 22,837 92,2211 7,1669 31,4%
46 97,8015 23,701 104,8067 7,0052 29,6%
47 77,6974 20,1137 83,1279 5,4305 27,0%
48 75,995 21,8441 82,3608 6,3658 29,1%
49 85,098 23,0413 91,9131 6,8151 29,6%
50 97,8492 22,9122 104,4551 6,6059 28,8%
51 77,7399 22,9122 83,549 5,8091 25,4%
52 76,0348 20,1615 81,5118 5,477 27,2%
53 85,1524 22,1146 91,067 5,9146 26,7%
54 97,9153 22,3382 104,2485 6,3332 28,4%
55 76,0645 21,3457 82,0182 5,9537 27,9%
56 77,7816 23,2963 84,4927 6,7111 28,8%
57 85,0903 21,9826 91,496 6,4057 29,1%
58 97,9404 23,2959 104,74 6,7996 29,2%
59 76,1048 25,3025 83,473 7,3682 29,1%
60 77,8271 22,4579 83,9818 6,1547 27,4%
61 85,1643 24,4439 92,042 6,8777 28,1%
62 98,0044 25,0296 106,073 8,0686 32,2%
63 76,1586 22,3235 82,5343 6,3757 28,6%
64 77,8737 25,4302 85,3724 7,4987 29,5%
65 85,2039 24,2751 92,4805 7,2766 30,0%
66 98,0724 24,5656 105,445 7,3726 30,0%
67 76,1946 23,7738 82,8384 6,6438 27,9%
68 77,94 23,2485 84,7102 6,7702 29,1%
69 85,2773 24,0788 92,5816 7,3043 30,3%
70 98,1585 21,8893 104,4138 6,2553 28,6%
71 76,2714 22,169 82,4347 6,1633 27,8%
72 76,3279 20,2747 81,5627 5,2348 25,8%
73 98,2113 22,5563 105,5731 7,3618 32,6%
74 77,695 20,3383 83,0922 5,3972 26,5%
75 85,1608 21,2309 91,012 5,8512 27,6%
76 76,3401 21,4779 82,3658 6,0257 28,1%
77 98,2435 19,5232 103,6538 5,4103 27,7%
78 77,7235 22,525 84,1104 6,3869 28,4%
60
cápsula Wi Bagazo Wf Wf-Wi %R
79 85,1943 20,0741 90,9856 5,7913 28,8%
80 76,3592 21,3974 82,3018 5,9426 27,8%
81 98,279 17,3205 103,4986 5,2196 30,1%
82 77,9983 20,0501 83,4335 5,4352 27,1%
83 85,258 20,0393 91,0739 5,8159 29,0%
84 72,8903 15,758 77,4227 4,5324 28,8%
85 72,6924 17,0207 76,9789 4,2865 25,2%
86 83,1457 19,2563 90,1844 7,0387 36,6%
87 97,7994 20,0072 103,204 5,4046 27,0%
88 72,8903 17,8629 77,6685 4,7782 26,7%
89 72,9043 17,6915 77,7361 4,8318 27,3%
90 84,9047 19,0557 90,2115 5,3068 27,8%
91 97,7148 19,0479 103,2121 5,4973 28,9%
92 72,7634 20,6767 78,6218 5,8584 28,3%
93 72,9476 19,5038 78,173 5,2254 26,8%
94 84,9295 19,2115 90,3038 5,3743 28,0%
95 97,7629 20,038 103,6115 5,8486 29,2%
96 72,7963 19,8483 78,3437 5,5474 27,9%
97 72,9785 18,562 78,3437 5,3652 28,9%
98 84,965 19,2358 90,3398 5,3748 27,9%
99 97,8053 14,8129 101,815 4,0097 27,1%
556,9414 28,4%
61
Anexo C
Resultados Análisis Elemental biochar
62
Anexo D
Registro Fotográfico
1. Producción del biochar
Bagazo de caña
Proceso de pirólisis
Bagazo de caña y Biochar
63
2. Construcción de filtros piloto
Malla de soporte
Filtros piloto
Dosificadores de Caudal
64
3. Curva de calibración
Patrones de 1, 5, 10, 20, 40, 60 y 80 mg/L
Patrones de 1, 5, 10, 20, 40, 60 y 80 mg/L en celdas de medición
Blanco
65
4. Selección de variables de trabajo
Montaje experimental para selección de variables con filtros piloto con alturas de medio
de 10, 15, 20 y 25 cm
Medición de concentración después del paso por cada filtro de carbón activado
66
5. Evaluación eficiencia
Montaje experimental para evaluar eficiencia de remoción de fenoles del biochar
Muestras tomadas a los filtros piloto de 10 y 25
cm de altura de biochar en diferentes intervalos
de tiempo
Medición de las muestras tomadas a los
filtros piloto de 10 y 25 cm de altura de
biochar en diferentes intervalos de tiempo
67
Blanco, muestra 10 y 25 cm de altura de biochar tomada después de 6 horas
68
6. Desorción
Agitación
Filtración
69
Primera desorción
Segunda desorción
70
7. Equipos
Estufa
Pirolizador
Espectrofotómetro SPECTRONIC GENESYSTM 5.
Balanza Digital
71
Agitador tipo shaker orbitral
Desecador
Envase de residuos de soluciones
I