influencia de algunas variables en la biosorción de plomo con residuos agrícolas

7/26/2019 Influencia de algunas variables en la biosorcin de plomo con residuos agrcolas

1/7286 AFINIDAD LXV, 536, Julio-Agosto 2008

RESUMEN

En este trabajo se ha estudiado la biosorcin de plomopresente en medios acuosos utilizando como slidossorbentes hueso de aceituna, alpeorujo y ramn del oli-vo, analizando la influencia sobre el proceso del pH, con-centracin de biosorbente, tamao de partcula y tiem-po de contacto. Los resultados muestran que en mediosmuy cidos no se produce retirada de plomo con ningu-no de los slidos, aumentando el porcentaje de plomoretirado a medida que se eleva el pH del medio hastaalcanzar un valor mximo a pH 4. As mismo, un aumen-to en la concentracin de biosorbente eleva el porcen-taje de Pb retirado, siendo especialmente significativoeste aumento para el hueso y el alpeorujo. Los resulta-dos obtenidos en el estudio de la influencia del tamaode partcula muestran que el porcentaje de plomo reti-rado disminuye a medida que aumenta el tamao de par-tcula, aunque esta disminucin es poco importante parael alpeorujo y el ramn. Finalmente, el proceso de bio-sorcin de plomo con hueso, alpeorujo y ramn se pro-duce de forma rpida alcanzndose el equilibrio antesde los 60 minutos de operacin.

Palabras clave: Biosorcin. Metales pesados. Residuosagrcolas. Aguas residuales.

SUMMARY

In this work, lead biosorption in aqueous media has beenstudied using as solid biosorbents olive stone, olive millwaste-water and olive tree pruning, analyzing the effectof pH, biosorbent concentration, particle size and timeof contact in the process. The results show that in very

acid media removal of lead is not produced for any of thesolids and if pH is increased the percentage of leadremoval is increased too, reaching a maximum at pH 4.In other hand, an increase of the biosorbent concentra-

tion raises the percentage removed of lead, being par-ticularly significant this increase for olive stone and olivemill waste-water. The results obtained for the effect ofparticle size showed that the percentage removed of leaddecreases if particle size is increased, although thisdecrease is not very important for olive mill waste-waterand olive tree pruning. Finally, the lead biosorptionprocess by olive stone, olive mill waste-waster and olivetree pruning occurs quickly reaching the equilibriumbefore 60 minutes have been passed.

Key words: Biosorption. Heavy metals. Agricultural waste.Wastewater.

RESUM

En aquest treball, sestudia la biosorci de plom presenten medis aquosos utilitzant com a slids sorbents pin-

yols doliva, pinyolada i brancatge dolivera, analitzant la

influncia sobre el procs del pH, concentraci de bio-sorbent, mida de partcula i temps de contacte. Els resul-tats mostren que en medis molt cids no es produeixretirada de plom amb cap dels slids, augmentant el per-centatge de plom retirat a mesura que seleva el pH delmedi fins assolir un valor mxim a pH 4. Aix mateix, unaugment en la concentraci de biosorbent augmenta elpercentatge de Pb retirat, essent especialment signifi-catiu aquest augment per als pinyols i la pinyolada. Elsresultats obtinguts en el estudi de la influncia de la midade partcula mostren que el percentatge de plom retiratdisminueix a mesura que augmenta la mida de partcu-la, tot i que aquesta disminuci s poc important per ala pinyolada i el brancam. Finalment, el procs de bio-sorci de plom amb pinyols, pinyolada i brancam es pro-

dueix de forma rpida, assolint-se lequilibri abans dels60 minuts doperaci.

Mots clau: Biosorci. Metalls pesants. Residus agrco-les. Aiges residuals.

Influencia de algunas variables en la biosorcinde plomo con residuos agrcolas

Francisco Herninz Bermdez de Castro, Gabriel Blzquez Garca, Mnica Calero de Hocesy M ngeles Martn-Lara.Departamento de Ingeniera Qumica, Facultad de Ciencias, Universidad de Granada.

Influence of some Parameters on Lead Biosorption by Agricultural Waste

Influncia dalgunes variables en la biosorci de plom amb residus agrcoles

Recibido: 28 de octubre de 2007; revisado: 28 de abril de 2008; aceptado: 29 de abril de 2008


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INTRODUCCIN

Los avances cientficos y tecnolgicos han aumentado demanera considerable la capacidad del ser humano paraexplotar los recursos naturales. Sin embargo, esto ha gene-rado una serie de perturbaciones en los ciclos biolgicos,geolgicos y qumicos elementales. La introduccin repen-

tina de componentes de mayor o menor toxicidad en elmedio natural puede superar la capacidad de autolimpie-za de los diversos ecosistemas receptores, dando comoresultado la acumulacin de contaminantes a niveles pro-blemticos, tanto para el propio medio como para el serhumano

(1).

En este sentido los metales pesados, como es el caso delplomo, son los ms problemticos, siendo descargadostanto a la atmsfera como a los ambientes acuticos yterrestres en forma de solutos o partculas pudiendo alcan-zar concentraciones altamente txicas, con graves im-plicaciones en la salud de los seres humanos, plantas yanimales, por lo que pueden causar serios problemas me-dioambientales, sociales y econmicos.El plomo se obtiene bsicamente de la galena (PbS), y en

menor proporcin de otros minerales de plomo asociadosa la galena y a los sulfuros complejos como la anglesita(PbSO4), cerusita (PbCO3), crocoita (PbCrO4), etc. El plomose ha venido usando desde la antigedad y a lo largo delos siglos se han evidenciado sus efectos txicos. La expo-sicin al plomo tiene como origen las pilas y bateras, elcemento Prtland, el polvo de algunas industrias, tuber-as o soldaduras, equipamiento para granjas, elementos dejoyera y cosmticos, etc. Las principales fuentes indus-triales de plomo incluyen las plantas de fundicin, de pin-turas y de reciclaje de bateras

(2).

El tratamiento de los efluentes contaminados que se gene-ran en las industrias es un proceso complicado, debido aque las aguas a tratar pueden tener una composicin muyvariable en cuanto a componentes orgnicos o inorgni-

cos, acidez o basicidad extrema, presencia de sustanciasvoltiles, etc., por lo que son pocos los procesos que per-miten la descontaminacin de dichos efluentes de mane-ra efectiva

(3, 4).

En este sentido, la biosorcin es una de las tecnologasms prometedoras para la retirada de metales txicos delas aguas residuales ya que posee algunas ventajas fren-te a los procesos convencionales, tales como que es unproceso generalmente rpido y que se puede aplicar agrandes volmenes de lquido con bajas concentracionesde metal. As mismo, el uso de subproductos y residuosslidos, fundamentalmente de origen agrcola, como sli-dos sorbentes hacen ms atractivo el proceso de elimi-nacin de metales pesados mediante biosorcin.En este trabajo se estudia la eliminacin de plomo median-

te biosorcin, utilizando como slidos sorbentes diversossubproductos y residuos de la industria del aceite (huesode aceituna, alpeorujo y ramn), analizando los principa-les parmetros que afectan al proceso como el pH, la con-centracin de biosorbente, el tamao de partcula y el tiem-po de contacto, estableciendo las condiciones ptimas deoperacin para cada uno de los slidos utilizados.

TCNICA EXPERIMENTAL

Slidos sorbentes:

Hueso de aceituna: procedente de la almazara Coope-rativa Nuestra Seora del Castillo situada en Vilches,Jan. El hueso se obtuvo del proceso de separacin de

la masa de orujo mediante una deshuesadora industrialequipada con criba-separadora de 4 mm de dimetro deorificio. El hueso se obtiene exento de aceite y con uncontenido en humedad inferior al 10%.

Alpeorujo: procedente de la almazara Cooperativa Nues-tra Seora del Castillo situada en Vilches, Jan, obteni-do como subproducto slido tras la separacin del acei-te de oliva mediante un proceso de extraccin de dosfases.

Ramn: procedente de la poda del olivo y recogido enla zona de Vilches (Jan).

El biosorbente original (hueso, alpeorujo o ramn) se mue-le en un molino de cuchillas y se clasifica por tamaos uti-lizando una tamizadora de alta vibracin dotada de un jue-go de tamices de los tamaos deseados, seleccionndosepara los experimentos a realizar las fracciones con tama-o de partcula inferiores a 1,00 mm.

Sal de plomo: para la preparacin de las disoluciones deplomo se ha utilizado nitrato de plomo [Pb(NO3)2] para an-lisis, suministrado por Merck.

Modificadores de pH: para el ajuste de pH se han emple-ado disoluciones 0,1 N de hidrxido sdico y de cido clor-hdrico.

MTODO EXPERIMENTAL Y CONDICIONES

Los ensayos de biosorcin se han realizado en un reactorde vidrio encamisado de 200 mL de capacidad en el quese introducen 50 mL de disolucin de plomo de concen-tracin conocida. A continuacin se ajusta el pH al valordeseado y se aade una cantidad determinada de biosor-bente. Mediante la accin de un agitador magntico quegira a 700 r.p.m. se favorece el contacto entre el slidosorbente y el catin durante el tiempo necesario para quefinalice la operacin. Todos los experimentos se han efec-tuado a una temperatura constante de 25 C.Una vez transcurrido el tiempo de operacin, se extrae

del reactor la fase lquida, se centrifuga durante 10 min a2000 r.p.m. y se filtra, mediante vaco, la disolucin sobre-nadante, desechndose el slido. La concentracin de plo-mo en la fase lquida es analizada, siempre junto con unamuestra de disolucin original de metal, mediante espec-trofotometra de absorcin atmica (usando un espectro-fotmetro Perkin-Elmer modelo 3100), determinndose elporcentaje de plomo retirado por el biosorbente.

DISCUSIN DE RESULTADOS

Influencia del pH

El pH de la solucin acuosa es una de las variables ms

importantes que controlan el proceso de biosorcin demetales pesados. Segn numerosos autores, el pH puedeinfluir tanto en las formas inicas del metal que se encuen-tran en disolucin como en el estado de los grupos fun-cionales responsables de la unin del metal a la superfi-cie del slido. A bajos valores de pH, los iones H

+se unen

a los grupos funcionales que quedan cargados positiva-mente e impiden, por tanto, la unin de los cationes met-licos; a medida que se eleva el pH de la disolucin, los gru-pos funcionales quedan cargados negativamente pudiendoproducirse la biosorcin de los iones metlicos

(5-9).

Como paso previo para la determinacin de la influenciadel pH en la biosorcin de Pb (II), se realizaron una seriede experimentos en ausencia de biosorbente. Para ello yde acuerdo con estudios anteriores

(9, 10), se seleccion una

concentracin inicial de plomo de 10 mg/L, un tiempo decontacto de 120 min y una temperatura de 25 C. En laFigura 1 se muestran las concentraciones finales de Pb (II)obtenidas para un rango de pH de 3 a 11.



Se observa una importante influencia del pH ya que en elrango de 3 a 6 la concentracin final de plomo en la disolu-cin coincide con la inicial (10 mg/L), mientras que a partirde pH 7 la concentracin de Pb que permanece en disolu-cin es prcticamente despreciable. Esto indica que el plo-mo precipita en forma de Pb(OH)2 en medios bsicos o pr-ximos a la neutralidad, por lo que, desde el punto de vistadel estudio del proceso de biosorcin, habra que trabajarcon valores de pH inferiores a 6 ya que para pHs superio-res se producira un efecto combinado entre la retirada delplomo por el biosorbente y la precipitacin del mismo.Una comprobacin de lo indicado puede llevarse a caborealizando el diagrama de equilibrio termodinmico del

plomo, utilizando el programa Hydra Medusa

(11)

, para unaconcentracin total de Pb (II) de 10 mg/L (la misma que seemplea en los ensayos en blanco). Los resultados se mues-tran en la Figura 2 en la que se ha representado la fraccinde especie frente al pH de la disolucin.Se observa que el plomo permanece soluble hasta un valorde pH prximo a 5,5, a partir del cual precipita en formade hidrxido (Pb(OH)2). A pH 5,7 aproximadamente la mitaddel plomo se encuentra en disolucin y la otra mitad ya haprecipitado.Una vez conocido el comportamiento del plomo en diso-lucin, se realizaron experimentos para comprobar el efec-to del pH en la biosorcin de Pb (II) con hueso de aceitu-

na, alperorujo y ramn. Para ello, se seleccion una con-centracin inicial de Pb (II) de 10 mg/L, una concentracinde biosorbente de 10 g/L con un tamao de partcula



Finalmente, se realiz un seguimiento del pH durante los120 minutos de duracin del experimento para los tres bio-sorbentes analizados. Los resultados se muestran en laFigura 4.Puede observarse que, para el hueso de aceituna el pHpermanece prcticamente constante en todos los experi-mentos, con una ligera disminucin cuando el pH iniciales igual a 6. Sin embargo, para los otros dos biosorben-tes (alpeorujo y ramn) cuando el pH inicial es superior a 3,el pH final tiende a un valor prximo a 4,7, lo que pareceindicar que ambos producen un efecto tampn en elmedio

(17). Tambin hay que tener en cuenta que, a medida

que aumenta el pH, la formacin de especies hidratadas

y la retencin de las mismas por el hueso, con la consi-guiente liberacin de iones H

+, producira una disminucin

en el pH del medio, tanto ms acusada cuanto mayor seala retencin de plomo por el biosorbente.

Influencia de la concentracin de biosorbente

Con objeto de determinar la mnima cantidad de biosor-

bente necesaria para alcanzar una eliminacin ptima deplomo, se han realizado experimentos con una concen-tracin inicial de Pb (II) de 10 mg/L, 120 min de tiempo decontacto, variando la concentracin de biosorbente de 2 a22 g/L; as mismo, de acuerdo con los resultados obteni-dos en el estudio del pH, se han realizado los experimen-tos a pHs 4, 5 y 6. Los resultados se muestran en la Figura 5para hueso, alpeorujo y ramn respectivamente.Se observa que, a medida que aumenta la concentracinde biosorbente se eleva el porcentaje de Pb (II) retirado has-ta alcanzar un valor prcticamente constante, siendo espe-cialmente significativo este aumento para el hueso y el alpe-orujo. En este sentido, a pH 4 y para el hueso (Figura 5a),el porcentaje de plomo retirado pasa de un 28 % a un 70% cuando la concentracin de hueso se eleva de 2 a 10

mg/L, mantenindose prcticamente constante a partir deeste valor; sin embargo, en los experimentos realizados apH 6, la modificacin en el porcentaje de plomo retirado esmenor, aunque a este valor de pH es posible que parte delplomo se encuentre precipitado en forma de hidrxido.De manera similar, para el alpeorujo (Figura 5b), el por-centaje de plomo retirado vara de un 57 % a un 88 % cuan-do la concentracin de alpeorujo aumenta de 2 a 10 mg/L.Sin embargo, para el ramn (Figura 5c) el porcentaje deplomo retirado se mantiene prcticamente constante enun valor prximo al 95 % en todo el margen de concentra-ciones ensayado. Estos resultados son similares a los obte-

Concentracin de Hueso, g/L

0 5 10 15 20 25

Pbretirado,

%

0

20

40

60

80

100

pH 4

pH 5

pH 6

a)

Concentracin de Alpeorujo, g/L

0 5 10 15 20 25

Pbretirado,

%

0

20

40

60

80

100

pH 4

pH 5

pH 6

b)

Concentracin de Ramn, g/L

0 5 10 15 20 25

Pbretirado,

%

0

20

40

60

80

100

pH 4

pH 5

pH 6

c)

Figura 5. Porcentaje de plomo retirado en funcin de la concentracin de biosorbente para cada uno de los slidos utilizados.

pH inicial

0 1 2 3 4 5 6 7

pH

final

0

1

2

3

4

5

6

7

Hueso

Alpeorujo

Ramn

Figura 4. Modificacin del pH durante el proceso de bio-sorcin para cada uno de los slidos utilizados.



nidos por otros investigadores para la biosorcin de plo-mo con diferentes materiales sorbentes

(8, 12, 13, 16, 18).

De lo anterior se deduce que, en todos los casos, una con-centracin biosorbente de 10 g/L es suficiente para alcan-zar el mximo porcentaje de plomo retirado.

Influencia del tamao de partcula

La capacidad del slido para la retencin de metales y eltiempo necesario para alcanzar el equilibrio suelen estarrelacionados con el tamao de partcula del biosorbenteque se emplee. Diversos investigadores han mostrado quela mayor parte de los metales son retenidos de forma msefectiva cuando disminuye el tamao de partcula del sli-do sorbente, principalmente si el proceso est controladopor la adsorcin superficial del biosorbente

(19, 20).

En primer lugar se ha realizado un estudio granulomtricodel biosorbente con objeto de determinar la distribucinde tamaos despus de su trituracin. Para ello, se ha pro-cedido a la trituracin del slido y su posterior separacinpor tamaos, determinando el porcentaje de cada uno deellos con respecto a la masa total. Los resultados obteni-dos se muestran en la Figura 6.

Puede observarse que la distribucin de tamaos para lostres biosorbentes es desigual, especialmente para el hue-so de aceituna cuyo contenido en partculas de tamaosuperior a 1,00 mm es sensiblemente superior a la de losotros dos biosorbentes. No obstante, las fracciones 0,500-0,710 mm y 0,710-1,00 mm representan conjuntamentealgo ms del 50 % del total en los tres slidos. El resto defracciones se encuentran por debajo del 15 % y en algu-nos casos no alcanzan el 5 %. Esto indica que el tamaode partcula para los tres slidos analizados se encuentracomprendido mayoritariamente entre 0,500 y 1,00 mm.A continuacin se ha estudiado la influencia del tamaode partcula en la biosorcin de plomo con hueso, alpeo-rujo y ramn. Para ello se efectuaron experimentos conuna concentracin inicial de plomo de 10 mg/L, una con-

centracin de biosorbente de 10 g/L, 120 min de tiempode contacto y un pH=5 para evitar la precipitacin de plo-mo. En la Figura 7 se ha representado el porcentaje de plo-mo retirado para cada una de las fracciones obtenidas enel anlisis granulomtrico.Se observa que a medida que aumenta el tamao de par-tcula disminuye el porcentaje de plomo retirado, aunqueesta disminucin es poco importante especialmente parael alpeorujo y el ramn. Para el hueso de aceituna, el por-centaje de plomo retirado vara de un 82 % para tamaosde partcula 1,00 mm,lo que indica que en este biosorbente la adsorcin super-

ficial es importante ya que un aumento en la superficieespecfica favorece el proceso. Estos resultados estn deacuerdo con lo indicado por otros investigadores. En estesentido, Ho y col.

(21)encuentran un ligero incremento en la

biosorcin de plomo con turba cuando el tamao de par-tcula disminuye de 0,710 a 0,150 mm; Vilar y col.

(22)indi-

can que la biosorcin de plomo con residuos proceden-tes de la extraccin de agar granulado es independientedel tamao de partcula en el rango 0,5-1,4 mm; Sheng ycol.

(23)indican que la disminucin del tamao de partcula

en el rango 1,180-0,200 mm no afecta al proceso de bio-sorcin de plomo con Sargassum s.p.De acuerdo con los resultados obtenidos, la separacinpor tamaos no parece, salvo en casos concretos, repre-sentar un beneficio importante para el proceso de biosor-cin y si un coste adicional, sobre todo desde el punto devista de su aplicacin industrial. Por tanto, si se tienen encuenta adems los resultados del estudio granulomtricorealizado, se ha seleccionado un tamao de biosorbente1,00 1,00/0,710 0,710/0,500 0,500/0,355 0,355/0,250



indican que la mxima retencin de plomo con Spirulina

maxima se produce a los 60 minutos de tiempo de con-tacto; Andel-Halim y col.

(24), en la biosorcin de plomo con

polvo de hueso y carbn activo, establecen el equilibrio alos 15 y 30 minutos de tiempo de contacto respectivamentey Han y col.

(13)indican que el proceso de biosorcin de plo-

mo con residuos de levadura de cerveza es muy rpido enlos primeros 10 minutos, alcanzndose el equilibrio a los60 minutos de operacin.

CONCLUSIONES

El plomo precipita en forma de hidrxido a pHs superio-res a 6, por lo que el proceso de biosorcin se debe rea-lizar a valores de pH inferiores. Sin embargo, en mediosmuy cidos no se produce retirada de plomo con ningu-no de los tres biosorbentes utilizados, aumentando elporcentaje de plomo retirado a medida que se eleva elpH del medio, hasta alcanzar un valor mximo a pH 4.

A medida que aumenta la concentracin de biosorbentese eleva el porcentaje de Pb (II) retirado hasta alcanzarun valor prcticamente constante para una concentra-cin de slido de 10 g/L, siendo especialmente signifi-cativo este aumento para el hueso y el alpeorujo.

La separacin por tamaos no parece, salvo en casosconcretos, representar un beneficio importante para elproceso de biosorcin y si un coste adicional sobre tododesde el punto de vista de su aplicacin industrial. En estesentido, un aumento en el tamao de partcula produceuna disminucin en el porcentaje de plomo retirado, aun-que esta disminucin es poco importante para el alpeo-rujo y el ramn. Para el hueso de aceituna, el porcentajede plomo retirado vara de un 82 % para tamaos de par-tcula 1,00 mm.

La retencin de plomo se produce de forma muy rpidacon los tres biosorbentes utilizados. Para hueso y alpe-orujo el equilibrio se alcanza aproximadamente a los60 minutos de tiempo de contacto, mientras que pararamn, el proceso es an ms rpido ya que el equilibriose alcanza aproximadamente a los 30 minutos de comen-zar la operacin.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Ministerio de Educacin y Cienciala ayuda concedida mediante el Proyecto CTM2005-0397/TECNO.

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t, min

0 100 200 300 400 500 600 700

Pbre

tirado,

%

0

20

40

60

80

100

Hueso

Alpeorujo

Ramn

[pb]inicial

= 10 ppm

pH = 5

Figura 8. Porcentaje de plomo retirado en funcin del tiem-po de contacto para cada uno de los slidos utilizados.



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