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UNIVERSIDAD PRIVADA AUTÓNOMA DEL SUR FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD CARRERA PROFESIONAL DE FARMACIA Y BIOQUÍMICA TESIS “ALTERNATIVA DE REMOCIÓN DE CROMO HEXAVALENTE A ESCALA DE LABORATORIO USANDO EPICARPIO DE Vitis vinifera L.” PRESENTADA POR: Bach. FEVERLINA SINTIA HUAMANI HUASHUAYO Bach. SAYDA CONCEVIDA QUISPE HUAMANI PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: FARMACIA Y BIOQUÍMICA ASESOR: MSc. Elvis Gilmar Gonzales Condori AREQUIPA – PERÚ 2019

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I

UNIVERSIDAD PRIVADA AUTÓNOMA DEL SUR FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD

CARRERA PROFESIONAL DE FARMACIA Y BIOQUÍMICA

TESIS

“ALTERNATIVA DE REMOCIÓN DE CROMO HEXAVALENTE A ESCALA DE LABORATORIO USANDO EPICARPIO DE Vitis

vinifera L.”

PRESENTADA POR:

Bach. FEVERLINA SINTIA HUAMANI HUASHUAYO Bach. SAYDA CONCEVIDA QUISPE HUAMANI

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

FARMACIA Y BIOQUÍMICA

ASESOR:

MSc. Elvis Gilmar Gonzales Condori

AREQUIPA – PERÚ

2019

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II

UNIVERSIDAD PRIVADA AUTÓNOMA DEL SUR FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD

CARRERA PROFESIONAL DE FARMACIA Y BIOQUÍMICA

TESIS

“ALTERNATIVA DE REMOCIÓN DE CROMO HEXAVALENTE A

ESCALA DE LABORATORIO USANDO EPICARPIO DE Vitis vinifera L.”

PRESENTADA POR:

Bach. FEVERLINA SINTIA HUAMANI HUASHUAYO Bach. SAYDA CONCEVIDA QUISPE HUAMANI

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

FARMACIA Y BIOQUÍMICA

APROBADO POR:

PRESIDENTE DEL JURADO: Dr. Benjamin Emilio Paz Aliaga

PRIMER MIEMBRO DEL JURADO: Mg. Juan Pablo Huarachi Valencia

SEGUNDO MIEMBRO DEL JURADO: Mg. Larry Ladislao Ramos Paredes

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i

DEDICATORIA

A Dios, por darme la oportunidad de vivir y por estar conmigo en cada paso

que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y por haber puesto en

mi camino a personas que han sido mi soporte y compañía durante todo el

periodo de estudio.

A mis Padres, por ser el pilar fundamental en todo lo que soy, por su apoyo

incondicional.

A mis hermanos, parientes y amigos por toda la ayuda que me brindaron para

concluir mis estudios.

A Moisés, por su perseverancia, apoyo y motivación para la culminación de

mis estudios profesionales y la elaboración de esta tesis.

Al MSc. Elvis Gilmar Gonzales Condori, por sus conocimientos y su gran

trayectoria, ha logrado en mí culminar mis estudios y tesis con éxito.

Feverlina Sintia Huamani Huashuayo

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ii

Esta tesis está dedicada a:

Dios quien ha sido mi guía, fortaleza con su mano de fidelidad y amor han

estado conmigo hasta el día de hoy. A mis padres quienes con su amor,

paciencia y esfuerzo me han permitido llegar a cumplir hoy un sueño más,

gracias por inculcar en mí el ejemplo de esfuerzo y valentía, de no temer las

adversidades porque Dios está conmigo siempre.

A mis hermanas y mis sobrinos por su cariño y apoyo incondicional, durante

todo este proceso, por estar conmigo en todo momento gracias. A toda mi

familia porque con sus oraciones, consejos y palabras de aliento hicieron de

mí una mejor persona y de una u otra forma me acompañan en todos mis

sueños y metas.

Sayda Concevida Quispe Huamani

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iii

AGRADECIMIENTO

Esta tesis es el resultado del esfuerzo, por esto agradezco a nuestro asesor

MSc. Elvis Gilmar Gonzales Condori, quien a lo largo de este tiempo ha puesto

a prueba sus conocimientos en el desarrollo de esta investigación.

A Sayda mi compañera de tesis por su apoyo y dedicación para culminación

de nuestros objetivos.

A mis padres quienes a lo largo de toda mi vida han apoyado y motivado mi

formación académica, creyeron en mí en todo momento y no dudaron de mis

habilidades.

A mis profesores a quienes les debo gran parte de mis conocimientos, gracias

a su paciencia y enseñanza. Finalmente, un eterno agradecimiento a la

universidad AUTÓNOMA DEL SUR por abrir sus puertas a jóvenes como

nosotros.

Feverlina Sintia Huamani Huashuayo

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iv

Esta tesis no hubiera sido posible sin el impulso de todas aquellas personas

que me han ayudado personalmente en el desarrollo de un trabajo de esta

índole, comenzando por:

Dios por permitirme sonreír nuevamente y tener salud para concluir mis metas.

Al MSc. Elvis Gilmar Gonzales Condori a quien agradezco su dedicación y estímulo, además de sus siempre acertados consejos, por compartir conmigo lo que sabe y poder transferir sus conocimientos en este proyecto.

Mi madre por ser un ejemplo a seguir de trabajo y colaboración con los demás.

Mi papá por ayudarme, apoyarme siempre con sus consejos y su ejemplo de perseverancia, rectitud, integridad y ética.

A mis hermanas y sobrino (a) por la paciencia que me han tenido.

Sayda Concevida Quispe Huamani

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v

RESUMEN Desde la antigüedad la industria del cuero fue extendiéndose a nivel global,

es así que en la ciudad de Arequipa existen múltiples empresas dedicadas al

curtido de pieles que en sus procesos involucran el uso de cromo, el cual,

puede ser eliminado en los efluentes contaminando al medio ambiente, razón

por la cual la presente investigación tuvo como objetivo principal plantear una

alternativa de remoción de Cr (VI) usando como adsorbente un subproducto

industrial que es el epicarpio de Vitis vinifera L. de la localidad de San Juan

de Chorunga, distrito Rio Grande, provincia Condesuyo, departamento

Arequipa y el adsorbato es dicromato de potasio. Este trabajo de investigación

se llevó a escala de laboratorio, empleándose espectrofotometría del visible

para la determinación de cromo usando difenilcarbazida a 540 nm dando

como resultado un método lineal con un coeficiente de regresión R2 de

0,9982, preciso con una desviación estándar relativa DSR de 1,04 % y con

una sensibilidad expresada en límites de detección y cuantificación de 0,013

y 0,031mg/L respectivamente.

Por otro lado, se realizó un diseño factorial 23 siendo los factores estudiados

el pH (2 y 4), tamaño de partícula (menor “150 a 300µm” y mayor “300 a

600µm”) y cantidad de adsorbente (1 y 2 gramos), dando como resultado

como la mejor interacción del proceso de adsorción es a pH=2, cantidad de

adsorbente de 1 gramo y con un tamaño de partícula menor (150 a 300 µm).

Posteriormente el estudio cinético que mejor se ajusta y describe el proceso

de remoción de cromo (VI), es la cinética de primer orden con un coeficiente

R2 resultante de 0,9822 mayor que al modelo de segundo orden (R2 = 0,9686)

así pues, la cantidad de Cr (VI) adsorbida en el equilibrio de 40.04 mg por

gramo de adsorbente. El modelo matemático de la velocidad corresponde a

la primera derivada del modelo matemático exponencial de decaimiento tipo

2 el cual determina que la velocidad de adsorción hallando “k” fue de 0,3798

min-1 que indica los mg de Cr (VI) adsorbidos por minuto.

Finalmente, el análisis por espectroscopia FTIR del Epicarpio de Vitis vinifera

L. dio por resultado espectros con presencia de grupos carbonilo >C=O,

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hidroxilo -OH, ácido carboxílico -COOH así como cadena de alcanos y el

análisis luego del proceso de adsorción de Cr (VI) dio como resultados

espectros con vibraciones a los 1600, 2800 y 3300 cm-1 característico de

adsorción electrostática. Se concluye que para remover un 99,99 % de cromo

hexavalente a partir de soluciones de 172,138 mg/L se debe trabajar a pH=2,

usando 1 gramo de adsorbente con un tamaño de partícula de 150 a 300 µm.

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ABSTRACT

Since ancient times the leather industry has been expanding globally, so in the

city of Arequipa there are multiple companies dedicated to the tanning of skins

that in their processes involve the use of chromium, which can be eliminated

in the effluents thus contaminating the environment, reason for which the

present investigation had as main objective to propose an alternative for the

removal of Cr (VI) using as an adsorbent an industrial by-product that is the

epicarp of from the town of San Juan de Chorunga, district Rio Grande,

Condesuyo province, Arequipa department and the adsorbate is potassium

dichromate. This research work was carried out on a laboratory scale, using

visible spectrophotometry for the determination of chromium using

diphenylcarbazide at 540 nm resulting in a linear method with a regression

coefficient R2 of 0,9982, accurate with a relative standard deviation DSR. Of

1.04% and with a sensitivity expressed in limits of detection and quantification

of 0,013 and 0,031 mg / L respectively.

On the other hand, a factorial design 23 was carried out, the factors studied

being pH (2 and 4), particle size (smaller "150 to 300 μm" and higher "300 to

600 μm") and amount of adsorbent (1 and 2 grams), resulting in the best

interaction of the adsorption process at pH = 2, amount of adsorbent of 1 gram

and with a smaller particle size (150 to 300 μm). Later, the kinetic study that

best fits and describes the process of adsorption of chromium (VI) in the

epithelium of Vitis vinifera L., is the kinetics of the first order with a R2

coefficient resulting in 0,9822 higher than the second order model (R2 =

0,9686) thus, the amount of Cr (VI) adsorbed at the equilibrium of 40.04 mg

per gram of adsorbent. The mathematical model of velocity corresponds to the

first derivative of the exponential mathematical model of decay type 2 which

determines that the adsorption rate finding "k" was 0,3798 min-1 which

indicates the mg of Cr (VI) adsorbed by minute.

Finally, the analysis by FTIR spectroscopy of the epicarp of resulted in spectra

with presence of carbonyl groups> C = O, hydroxyl-OH, carboxylic acid -COOH

as well as chain of alkanes and the analysis after the adsorption process of Cr

(VI) gave as results spectra with vibrations at 1600, 2800 and 3300 cm-1

characteristic of electrostatic adsorption. It is concluded that to remove 99.99%

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hexavalent chromium from 172,138 mg / L solutions, one should work at pH =

2, using 1 gram of adsorbent with a particle size of 150 to 300 μm.

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ix

INDICE DE CONTENIDO

DEDICATORIA ............................................................................................... i

AGRADECIMIENTO ..................................................................................... iii

RESUMEN ..................................................................................................... v

ABSTRACT.................................................................................................. vii

ÍNDICE DE TABLAS ....................................................................................xiii

ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................. xiv

ÍNDICE DE APÉNDICES ............................................................................ xvi

INTRODUCCIÓN ........................................................................................xvii

CAPÍTULO I ................................................................................................... 1

EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ........................................................... 1

1.1. Planteamiento del problema de investigación ................................... 1

1.2. Formulación del problema ................................................................. 3

1.2.1. Problema Principal ..................................................................... 3

1.2.2. Problemas secundarios .............................................................. 3

1.3. Objetivos ........................................................................................... 4

1.3.1. Objetivo general ......................................................................... 4

1.3.2. Objetivos específicos .................................................................. 4

1.4. Justificación del estudio .................................................................... 5

CAPÍTULO II .................................................................................................. 7

MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 7

2.1. Antecedentes de investigación.......................................................... 7

2.1.1. A nivel internacional ................................................................... 7

2.1.2. A nivel nacional .......................................................................... 9

2.1.3. A nivel local .............................................................................. 11

2.2. Base teórica .................................................................................... 14

2.2.1. Curtiembres .............................................................................. 14

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2.2.1.1. La contaminación por curtiembre .......................................... 18

2.2.2. Vitis vinifera L. .......................................................................... 19

2.2.2.1. Composición de la vitis vinifera L. ......................................... 20

2.2.2.2. Obtención del epicarpio de vitis vinifera L ............................. 21

2.2.2.3. Usos de la Vitis vinifera L. en el mundo ................................. 21

2.2.3 Cromo ...................................................................................... 22

2.2.3.1. Generalidades ....................................................................... 22

2.2.3.1. Toxicología ............................................................................ 23

2.2.3.2. Toxicocinética ....................................................................... 24

2.2.3.3. Toxicodinamia ....................................................................... 24

2.2.3.4. Riesgos en el ser humano por cromo hexavalente ................ 24

2.2.3.5. Fuentes de cromo ................................................................. 25

2.2.3.6. Contaminación ambiental con cromo .................................... 26

2.2.3.7. Valores permisibles ............................................................... 27

2.2.4. Biosorción ................................................................................ 28

2.2.5. Mecanismos De Biosorción ...................................................... 29

2.2.6. Aspectos teóricos de la adsorción ............................................ 29

2.2.7. Modelamiento cinético .............................................................. 29

2.3. Hipótesis ......................................................................................... 30

2.3.1. Hipótesis principal .................................................................... 30

2.3.2. Hipótesis secundaria ................................................................ 30

2.4. Variables ........................................................................................ 31

2.4.1. Identificación de variables ............................................................... 31

2.4.2. Definición conceptual de variables ........................................... 31

2.5. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES ................................................... 32

CAPÍTULO III ............................................................................................... 33

METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .................................................. 33

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3.1. Tipo y nivel de investigación ........................................................... 33

3.2. Descripción del ámbito de la Investigación ..................................... 33

3.3. Población y muestra ....................................................................... 33

3.4. Técnicas e instrumentos para la recolección de datos .................... 34

3.4.1. Materiales, equipos y reactivos ................................................ 34

3.4.2. Preparación del adsorbente ...................................................... 35

3.4.3. Preparación del gráfico de calibración (Curva de calibración) .. 38

3.4.4. Linealidad, sensibilidad y precisión del método ........................ 41

3.4.5. Proceso de adsorción de cromo (VI) en biomasa de Epicarpio de

Vitis vinifera L. ....................................................................................... 43

3.4.5.1. Diseño y construcción de un sistema de agitación Tipo

Batch 43

3.4.5.2. Estudio cinético de adsorción mediante sistema tipo Batch .. 44

3.4.6. Diseño factorial ......................................................................... 44

CAPÍTULO IV .............................................................................................. 47

RESULTADOS ............................................................................................ 47

4.1. Tratamiento del adsorbente ............................................................ 47

4.2. Línea de calibración por espectrofotometría ................................... 47

4.3. Linealidad del método de determinación de Cr (VI) por

espectrofotometría .................................................................................... 49

4.4. Sensibilidad del método para la determinación de Cr (VI) por

espectrofotometría .................................................................................... 50

4.4.1. Límites de detección y cuantificación ....................................... 50

4.5. Precisión del método para la determinación de Cr (VI) por

espectrofotometría .................................................................................... 51

4.6. Diseño factorial ............................................................................... 52

4.6.1. Efecto del pH y cantidad de adsorbente frente al porcentaje de

adsorción de Cr (VI) .............................................................................. 55

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4.6.2. Efecto del pH y el tamaño de partícula frente al porcentaje de

adsorción de Cr (VI) .............................................................................. 56

4.6.3. Efecto de la cantidad de adsorbente y el tamaño de partícula

frente al porcentaje de adsorción de Cr (VI) .......................................... 57

4.6.4. Optimización del proceso de adsorción .................................... 58

4.7. Porcentaje de remoción de Cr (VI) en función del tiempo ............... 59

4.8. Evaluación de la cinética de adsorción ........................................... 61

4.8.1. Modelo matemático de primer orden ........................................ 61

6.1. Análisis IR antes del proceso de adsorción ..................................... 71

6.2. Análisis IR después del proceso de adsorción ................................ 72

6.3. Posibles Propuesta de Interacción del adsorbato (cromo (VI) y

adsorbente ............................................................................................... 73

CAPÍTULO V ............................................................................................... 75

DISCUSIÓN ................................................................................................. 75

CONCLUSIONES ........................................................................................ 78

RECOMENDACIONES ................................................................................ 79

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................ 80

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xiii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Compuestos de cromo y sus usos en diferentes procesos de la

industria. ...................................................................................................... 26

Tabla 2. Operacionalización de variables ..................................................... 32

Tabla 3. Soluciones estándar ....................................................................... 39

Tabla 4. Factores y niveles del diseño factorial 23........................................ 45

Tabla 5. Matriz de efectos para el análisis del diseño factorial 23................. 46

Tabla 6. Lectura y análisis estadístico del análisis por espectrofotometría ... 48

Tabla 7. Ensayo de Reproducibilidad (precisión) ......................................... 51

Tabla 8. Diseño Factorial ............................................................................. 52

Tabla 9. Porcentaje de adsorción................................................................. 60

Tabla 10. Modelo matemático de primer orden ............................................ 62

Tabla 11. Modelo matemático de primer orden ............................................ 65

Tabla 12. Comparación de R2 de los modelos matemáticos ........................ 66

Tabla 13. Cantidad en mg de Cr (VI) en función del tiempo ......................... 67

Tabla 14. Valores de las variables obtenidas en el modelo matemático

exponencial de decaimiento 2 según OriginPro 9.0 ..................................... 69

Tabla 15. Velocidad de reacción .................................................................. 70

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xiv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Almacenamiento de las pieles del ganado con sales de cromo..... 15

Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de curtido ...................................... 18

Figura 3. Contaminación de las curtiembres en el parque industrial Cerro

Colorado –Arequipa ..................................................................................... 19

Figura 4. Partes del fruto de uva (1) Epicarpio, 2) Mesocarpio, 3) semilla y 4)

pincel) .......................................................................................................... 20

Figura 5. Principales especies de cromo hexavalente (VI), dependiendo del

Ph ................................................................................................................ 23

Figura 6. Contaminación con residuos por curtiembre de rio seco ............... 27

Figura 7. Residuos de Epicarpio de Vitis vinifera L. ..................................... 35

Figura 8. Proceso de selección de la biomasa de ........................................ 36

Figura 9. Biomasa seca de Epicarpio de Vitis vinifera L. .............................. 37

Figura 10. Molino marca VICTORIA usado para la trituración de Epicarpio de

Vitis vinifera L. ............................................................................................. 37

Figura 11. Proceso de Tamizaje línea de usando Tamizadores Riceli

equipo .......................................................................................................... 38

Figura 12. Complejo difenilcarbazona con Cr+3 ............................................ 40

Figura 13. Sistema de agitación tipo Batch. ................................................. 44

Figura 14. Diseño factorial 23 full con 8 ensayos y 16 por duplicado ............ 46

Figura 15. Curva o Gráfico de Calibración entre la concentración de Cr (VI) y

las absorbancias promedio .......................................................................... 49

Figura 16. Gráfico de concentración (eje x) y desviación estándar de la

absorbancia (eje y) ...................................................................................... 50

Figura 17. Cube Plot de la interacción de pH, Tamaño de Partícula y

Cantidad de adsorbente ............................................................................... 53

Figura 18. Diagrama de Pareto .................................................................... 54

Figura 19. Distribución normal ..................................................................... 54

Figura 20. Interacción del pH y cantidad de adsorbente frente al Porcentaje

de adsorción. ............................................................................................... 55

Figura 21. Interacción 3D del pH y cantidad de adsorbente frente al

Porcentaje de adsorción. ............................................................................. 56

Figura 22. Interacción del pH y tamaño de partícula frente al Porcentaje de

adsorción. .................................................................................................... 57

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xv

Figura 23. Interacción de la cantidad de adsorbente y tamaño de partícula

frente al Porcentaje de adsorción................................................................. 58

Figura 24. Mejor interacción ......................................................................... 59

Figura 25. Porcentaje de remoción de Cr (VI) respecto al tiempo ................ 61

Figura 26. Cinética de adsorción de Cr (VI) a una concentración de 172,128

mg/L............................................................................................................. 63

Figura 27. Cinética de adsorción de Cr (VI) a una concentración de 100

mg/L............................................................................................................. 66

Figura 28. Ajuste de datos con el modelo matemático exponencial de

decaimiento 1 según OriginPro 9.0 .............................................................. 68

Figura 29. Velocidad de adsorción ............................................................... 71

Figura 30. Espectro IR del Epicarpio de Vitis vinifera L. ............................... 72

Figura 31. Espectro IR del Epicarpio de Vitis vinifera L. después de la

adsorción (-- Muestra; -- Biblioteca) ............................................................. 73

Figura 32. Interacción electrostática probable entre el dicromato (Cr2O72-) y

los -OH2+ formados a pH < 2 ........................................................................ 73

Figura 33. Interacción electrostática probable entre el dicromato (Cr2O72-) y

los >C-OH+ formados a pH < 2 .................................................................... 74

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ÍNDICE DE APÉNDICES

Anexo 1: Efluentes de curtiembres del Parque industrial Cerro Colorado –

Arequipa ...................................................................................................... 87

Anexo 2: Inundación de efluentes de curtiembre a zonas aledañas a la laguna

de oxidación de rio seco- Arequipa .............................................................. 88

Anexo 3: Uva tipo tempranillo para la obtención del vino seguidamente el de

.................................................................................................................... 88

Anexo 4: Cosecha de la uva tipo tempranillo para la obtención del vino

seguidamente del ........................................................................................ 89

Anexo 5: Extracción del vino, el Se usa para la adsorción de cromo .......... 90

Anexo 6: Desecho de la uva, que fue usado como adsorbente de cromo

hexavalente. ................................................................................................ 91

Anexo 7: Sistema de adsorción tipo Batch ................................................... 91

Anexo 8: Ensayos de cinética y diseño factorial ........................................... 92

Anexo 9: Modelamiento matemático de primero orden ................................ 93

Anexo 10: Modelamiento matemático de segundo orden ............................. 94

Anexo 11: Modelamiento matemático .......................................................... 95

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INTRODUCCIÓN

En el Perú en el año 2013 se realizó un censo donde existían 92 fábricas de

curtido: en Lima (14), Trujillo (48) y Arequipa (30); estas fábricas brindaron

servicio a 375 empresas que concesionan el procesamiento del cuero: en

Lima (50), Arequipa (104) y Trujillo (221) (1), en las cuales, el uso del cromo en

forma trivalente y hexavalente es frecuente ya que está involucrado en el

proceso de curtido de dichas empresas. Es así que, los métodos tradicionales

que usan para la producción de cueros consumen en promedio entre el 60 al

80% del cromo (Cr) total, el resto es eliminado como agua residual industrial,

causando dificultades al sistema de alcantarillado, incumpliendo los Valores

Máximos Admisibles (VMA) establecidos por el DS 029-2009- Vivienda,

impactos ambientales y desventajas económicas para los curtidores. (2)

Por muchos años la contaminación ambiental por el proceso de curtición en

la ciudad de Arequipa se ha constituido un problema; ya que este sector

curtiembre es uno de los que más contamina las aguas superficiales en la

ciudad de Arequipa al exceder los Límites Máximos Permisibles (LMP) (2); así

pues las curtiembres ubicadas en el Parque Industrial Río Seco en Arequipa,

exceden los LMP de cromo, en aguas superficiales que llegan a la quebrada

Añashuayco, transformándola en un foco infeccioso, situación que empeora

por no contar con una planta de tratamiento adecuada, formándose

riachuelos, que probablemente desembocan en el rio chili por Uchumayo,

también se filtra y contamina los suelos por donde pasan los efluentes. En el

Parque Industrial existen lagunas de oxidación de aguas residuales las cuales

son inadecuadas e insuficientes representando un problema pues están

saturadas de efluentes contaminados con compuestos orgánicos e

inorgánicos tales como cromo, sulfuros, ácidos, entre otros. (2)

En la ciudad de Arequipa existen empresas que se dedican al curtido del cuero

en el parque industrial de rio seco, cuyos residuos son eliminados a lagunas

de oxidación que no se dan abasto para el tratamiento de dichos efluentes. El

presente proyecto tuvo como finalidad aprovechar un residuo industrial para

la adsorción del cromo hexavalente.

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CAPÍTULO I

EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1. Planteamiento del problema de investigación Desde que el ser humano ha poblado la Tierra, la ha trasformado para

adecuarla y explotarla según sus necesidades. Las actividades económicas

e industriales, claves para el desarrollo de las naciones, han operado por

años sin control ni conciencia ambiental. (3) Actualmente uno de los mayores

problemas que se afronta a nivel mundial es el deterioro constante del

ambiente a causa de contaminantes que son vertidos sobre la superficie

terrestre y el agua. Muchos de estos contaminantes son metales pesados

que, en altas concentraciones, son tóxicos para el ser humano y otros

organismos, trayendo como consecuencia una alteración en la vida natural

del ecosistema. (4)

A nivel internacional, la industria de cueros y calzado ha mostrado un

incremento directamente proporcional en las empresas de curtiembres con

una relocalización de plantas productoras de fuerzas globales de los países

desarrollados como son China, Corea, Hong Kong, Indonesia, Taiwán y

Brasil. La producción de calzado en estos países es intensiva en mano de

obra y se ha enfocado en consumo masivo, teniendo en cuenta la calidad

del producto, (5) para esta producción de cueros, se consume un promedio

entre el 60 al 80% del Cr total, el resto es eliminado como agua residual

industrial, causando dificultades al sistema de alcantarillado, incumpliendo

los Valores Máximos Admisibles (VMA) establecidos por el DS 029-2009-

Vivienda, impactos ambientales y desventajas económicas para los

curtidores. (6)

A nivel nacional existen industrias que emiten efluentes contaminantes a

los ríos y mares, poniendo en peligro a los animales, plantas y personas

que dependen de ellos. Una de las industrias importantes y con mayor

carga contaminante es la curtiembre cuyos efluentes contienen residuos de

cromo usado como agente de curtición. (7) En un esfuerzo por contribuir a

contrarrestar esta contaminación, se implementará un método de remoción

de cromo hexavalente a través de un residuo sólido con la finalidad de

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recuperar el cromo y ser reinsertado otra vez en el proceso de tratamiento

de las pieles, ya que desde el punto de vista ambiental, el rubro curtiembre

siempre ha sido mirado como una industria contaminante neta, por cuanto

procesa un material altamente putrescible y de biodegradación lenta. (6)

Por muchos años la contaminación ambiental por el proceso de curtición

en la ciudad de Arequipa es un problema; ya que este sector curtiembre es

uno de los que más contamina las aguas superficiales en la ciudad de

Arequipa al exceder los Límites Máximos Permisibles (LMP); pues las

curtiembres ubicadas en el Parque Industrial Río Seco en Arequipa,

exceden los LMP de cromo, en aguas superficiales que llegan a la

quebrada Añashuayco, transformándola en un foco infeccioso, situación

que empeora por no contar con una planta de tratamiento adecuada. En el

Parque Industrial existen lagunas de oxidación de aguas residuales las

cuales son inadecuadas e insuficientes representando un problema pues

están saturadas de efluentes contaminados con compuestos orgánicos e

inorgánicos tales como cromo, sulfuros, ácidos, entre otros. (6) El presente

proyecto tiene como finalidad aprovechar un residuo industrial para la

adsorción del cromo hexavalente usando residuos sólidos.

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1.2. Formulación del problema 1.2.1. Problema Principal

¿Cuál es la capacidad de remoción de cromo hexavalente usando Epicarpio

de Vitis vinifera L?

1.2.2. Problemas secundarios

− ¿Cuál es el resultado de evaluar los parámetros de linealidad, precisión y

sensibilidad del método analítico para la determinación de Cr (VI) por

espectrofotometría?

− ¿Cuál es la cinética de remoción y la cantidad de Cr (VI) adsorbida en el

equilibrio por gramo de usando modelos matemáticos de primer y segundo

orden?

− ¿Cuál es la velocidad de remoción de Cr (VI) mediante modelamiento

matemático?

− ¿Cuál es el mejor efecto de factores pH, cantidad de biosorbente, y tamaño

de partícula en el proceso de remoción de Cr (VI) sobre biomasa de

Epicarpio de Vitis vinifera L?

− ¿Cuál es el resultado de analizar por espectroscopía IR la biomasa del

antes y después de la remoción?

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1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo general

Evaluar la capacidad de remoción de cromo hexavalente usando Epicarpio de

Vitis vinifera L.

1.3.2. Objetivos específicos

− Evaluar los parámetros de linealidad, precisión y sensibilidad del método

analítico para la determinación de Cr (VI) por espectrofotometría.

− Determinar la cinética de remoción y la cantidad de Cr (VI) adsorbida en el

equilibrio por gramo de usando modelos matemáticos de primer y segundo

orden.

− Determinar el modelo matemático de la velocidad de remoción de Cr (VI)

en mediante modelamiento matemático.

− Determinar la mejor interacción entre los factores pH, cantidad de

biosorbente, y tamaño de partícula que influencian el proceso de remoción

de Cr (VI) en biomasa de

− Analizar por espectroscopía IR la biomasa de antes y después de la

remoción.

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1.4. Justificación del estudio

El cromo en general se absorbe por vía digestiva, respiratoria y cutánea, y

al acumularse en los tejidos, causa dermatosis y úlceras en la piel. Se há

informado que este metal pesado también tiene acción carcinogénica,

sobre todo en pulmón. (8) Las curtiembres a nivel internacional, representan

parte importante de un sector industrial clave en el desarrollo económico,

sin embargo estas industrias son altamente contaminantes por la descarga

al ambiente de altos contenidos de materia orgánica y efluentes con sulfuro,

cloruro y cromo en concentraciones que alcanzan niveles tóxicos, por lo

que se requiere atención para minimizar su generación e impacto por esa

razón es importante buscar una técnica de remoción de metales pesados

utilizando residuos sólidos. (9)

El cromo, se ubica como uno de los elementos más contaminantes, además

de no ser química ni biológicamente degradable, por lo tanto, puede

permanecer indefinidamente en el medio ambiente. Este metal presenta

dos estados de oxidación, Cr (III) y Cr (VI). El primero de estos, aunque no

es de carácter tóxico, mediante un proceso de óxido-reducción, se puede

convertir en Cr (VI), el cual, es considerado tóxico, por ser capaz de

absorberse, a través de la piel, provocando efectos negativos en la salud. (10,11)

Actualmente en nuestro país existen empresas que se dedican al curtido

de pieles, dichas empresas son denominadas curtiembres. Estas

actividades vienen siendo desarrolladas desde los años cuarenta y en su

proceso presenta varios problemas que pueden producir efectos

indeseables con el medio ambiente, uno de ellos consiste en el

procesamiento de la piel en la cual se transforma la materia putrescible en

imputrescible que se le denomina curtición, que implica la incorporación de

un agente curtiente que es el sulfato de cromo (III), (12) las curtiembres

formales en el Perú, que alguna vez estuvieron lejos de las zonas

residenciales, ahora se encuentran rodeadas de casas. Los residentes

están indignados por el agua sin tratar y los desechos sólidos que generan

las curtiembres vecinas y los malos olores. Muchos curtidores informales

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operan dentro de sus propias casas, rodeados de sus vecinos que sufren

las consecuencias. (9)

El problema radica en el alto contenido de cromo en el efluente final de la

curtiembre que muchas veces no son tratados y son desechados,

contaminando así el ambiente, debido a que estos efluentes podrían tomar

contacto con otros efluentes que contengan sustancias oxidantes y harían

que el cromo (III) se oxide a su especie hexavalente como cromato, por otro

lado, a pH ácido el cromato pasa a dicromato y dicha especie de cromo

hexavalente resulta muy tóxica para los seres vivos en general. (2)

Las lagunas de oxidación de aguas residuales industriales existentes en la

ciudad de Arequipa ubicado en el parque industrial, se ha constituido solo

en paliativos al problema de la contaminación ya que han demostrado ser

inadecuadas e insuficientes, pues se evidencia que están colmadas y

saturadas de efluentes contaminados con compuestos orgánicos e

inorgánicos tales como cromo, sulfuros, ácidos, entre otros contaminantes

letales para el ser humano; generando enfermedades, entre las cuales

según estudios realizados en curtiembres a nivel mundial se encuentra el

cáncer. Asimismo, altera la cobertura vegetal y el entorno paisajístico,

especialmente la Quebrada de Añashuayco, en donde se encuentra la

cantera en explotación de Añashuayco, declarada patrimonio cultural de la

nación. Se presume que estos efluentes llegan al Rio Chili, donde altera la

calidad de agua utilizada para el riego de zonas de cultivo, dichas áreas

agrícolas abastecen de productos alimenticios a los habitantes de la ciudad

de Arequipa, por lo que existe el riesgo potencial de una epidemia

generalizada. (6)

Por lo expuesto, el presente proyecto busca como finalidad evaluar la

capacidad de remoción del cromo hexavalente a través del Epicarpio de

Vitis vinifera L., ya que el residuo se encuentra en forma abundante en la

localidad de San Juan de Chorunga, distrito de Rio Grande.

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CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes de investigación 2.1.1. A nivel internacional

Acosta et al. (13), en su trabajo de investigación de Remoción de Cromo

(VI) en Solución Acuosa por la Biomasa Celular de Paecilomyces sp.

usando el método colorimétrico de la difenilcarbazida dio como resultado

la mayor bioadsorción a pH= 1,0±0,2; a 50 °C durante 16 horas con

7,2mg/200mL. de concentración inicial de Cromo (VI) y 80mg/200 mL de

biomasa celular concluyendo que la biomasa fúngica remueve

adecuadamente Cromo (VI) en solución y puede utilizarse para

descontaminar nichos acuáticos contaminados, ya que 1 g de biomasa

fúngica remueve 100mg/200mL del metal a las tres horas de incubación.

Campos (14), en su artículo presenta el fenómeno de adsorción química

como una opción viable en el tratamiento de aguas residuales que

contiene disueltos iones metálicos, específicamente se aborda el estudio

del cromo hexavalente, el cual se puso en contacto con el biomaterial de

ectodermis de Opuntia formando un complejo coloreado con la

difenilcarbazida (DFC), esto con la finalidad de estudiar el comportamiento

de la adsorción, para lo cual se evaluaron las cinéticas respectivas y se

calcularon las isotermas de adsorción de los modelos de Langmuir y

Freundlich. Como resultados se observó que el biomaterial sin un

tratamiento químico de acidificación muestra una adsorción máxima del

50% del ion metálico y a su vez formando el complejo ya señalado el

porcentaje de remoción máximo fue del 40%.

Acosta et al. (15), utilizando cáscara de yuca (Manihot esculenta) para

remover cromo (VI) en disoluciones acuosas simulando efluentes

industriales en un esquema de operación por lotes, se realizaron pruebas

variando la concentración inicial de cromo (30, 40 y 50 ppm) y la

temperatura (25, 30 y 35°C), manteniendo fija la concentración del

adsorbente (3,33 g/L), el tiempo de contacto 40 minutos y el pH 2, el cual

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se ajustó con ácido sulfúrico (H2SO4). Así los datos obtenidos fueron

ajustados a cuatro modelos cinéticos: primer orden reversible,

pseudosegundo orden, Elovich y difusión intrapartícula ajustándose al

modelo de pseudosegundo orden, también se realizaron pruebas usando

una concentración inicial de 50 ppm y tiempo de contacto de 120 minutos,

variando la concentración del adsorbente (2, 4, 20 y 25 g/l), donde se

determinó que a mayor concentración de biosorbente se presenta mayor

porcentaje de remoción.

Geyici y Buyukgungor (16), en su investigación de diseño factorial investigo

la adsorción de iones de plata del agua sobre montmorillonita, ya que

existe un creciente interés en el uso de materiales de bajo costo y

disponibles comercialmente para la adsorción de metales pesados es que

los factores experimentales y sus respectivos niveles que se

seleccionaron incluyeron un pH de 3 - 8, una dosis de adsorbente de 0,5

- 2,0 g/L y una concentración inicial de iones de plata de 20 - 200mg/L, de

este modo los resultados se analizaron estadísticamente utilizando la

prueba t de Student, análisis de varianza.

Así mismo, Cano et al. (17), investigaron la capacidad de la biomasa de

“desecho de sorgo” para remover y recuperar iones de cromo (III) de

soluciones acuosas, tanto en sistemas en lote como en flujo continuo. Los

resultados muestran que los iones de cromo (III) se unen preferentemente

a la biomasa de sorgo a pH 4,5-5, después de 15 minutos de contacto,

con una capacidad de saturación de aproximadamente 10 mg/g de

biomasa seca. La biomasa inmovilizada fue capaz de remover y recuperar

eficientemente iones de cromo (III) en flujo continuo y en varios ciclos de

remoción recuperación.

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2.1.2. A nivel nacional Cuizano et al. (18), evaluaron el efecto del pH en el proceso de biosorción

de metales pesados mediante experimentos discontinuos a

temperatura ambiente. Se evaluó la adsorción de los iones metálicos

de plomo, zinc, cobre, cadmio y oro con las algas marinas pardas

Lessonia nigrescens Bory (L13) y Macrocysti sintegrifolia Bory (S12).

Los resultados muestran un fuerte efecto del pH en la química acuosa

del ion metálico dominada por aquo e hidroxo-complejos, la cual es

condicionada por la propia acidez del catión, experimentalmente se

comprueba la preferencia de ambas algas por el ion Pb (II) y Cd (II). La

afinidad de las algas por los iones estudiados sigue la tendencia:

Pb>Cd>Zn Cu. El ion AuCl4 mostro una lenta cinética de formación de

cloro e hidroxi complejos que dependen fuertemente del pH, lo que

sugiere un peculiar mecanismo por intercambio de ligandos en

comparación del conocido intercambio iónico que fue observado para

los cationes divalentes estudiados.

Por otro lado, Ramakrishna y Susmita (19), trabajaron con carbón

activado comercial (CAC) preparado a partir de cáscara de coco y

carbón activado (AC) para ser utilizados como adsorbentes en los

estudios de adsorción de cromo hexavalente en solución acuosa

usando cuatro experimentos siendo los factores ambientales

controlados el pH, concentración inicial de Cr (VI) (Ci), dosis

adsorbente (m) y temperatura (T) mostrando su comportamiento

respecto a carbón activado presentando más capacidad de eliminación

de Cr (VI) mostrándose altos valores de los coeficientes de

determinación (R2 = 0,995) lo que indica una buena relación de los

datos.

Sun-Kou et al. (20),en su trabajo de investigación sobre adsorción de

metales pesados empleando carbones activados preparados a partir de

semillas de aguaje los cuales se utilizaron en la adsorción de tres

metales pesados como el plomo, cadmio y cromo donde la máxima

capacidad de adsorción se logró utilizando el carbón activado

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AG0,75_600 con soluciones con un pH mayor a 4; los valores obtenidos

estaban en el siguiente orden: plomo (74,8 mg g-1) , cadmio (26,5 mg

g-1), cromo (18,8 mg g-1) teniendo como conclusión que los factores

más importantes que influyen en el proceso de adsorción fueron el pH

de la solución, la estructura porosa y la acidez superficial del carbón

activado.

Muñoz (21),ha investigado la biosorción de Pb(II) usando como material

biosorbente la cáscara de naranja “Citrus cinensis”, mediante la

reticulación se usó una solución 0,2M de CaCl2, el pH de esta solución

se ajustó a 5 usando una solución 0,05 M de HCl mediante un sistema

en agitación constante durante 24h, donde se determinó que el

equilibrio se alcanzó a las 4 horas del inicio del proceso de biosorción

logrando un porcentaje de remoción de Pb(II) del 40%, los resultados

de los experimentos en batch se procesaron con la ayuda de las

ecuaciones de Langmuir y Freundlich, la máxima capacidad de

biosorción de Pb (II) por la cáscara de naranja pretratada (q máximo)

fue de 141,05 mg/g.

Según, Muñiz (22),determinó la eficiencia del biosorbente de coronta de

maíz para la adsorción de cromo hexavalente en aguas residuales de

la industria curtiembre, siendo el instrumento usado la ficha de

observación, el cual fue aplicado a una muestra de 20 litros de agua

residual de la industria curtiembre en el distrito de Huachipa, el

procesamiento estadístico se realizó mediante el programa Excel 2013

y el programa SPSS 21, encontrándose que el biosorbente de coronta

de maíz es altamente eficiente para tratar aguas residuales de la

industria curtiembre, el cual obtuvo un porcentaje de remoción de

83,5% con el tratamiento T1, a 60 min de tiempo de contacto con 100

r.p.m. Los resultados fueron analizados con la prueba de T de Student

para muestras relacionadas encontrando un nivel de significancia de

p=0,000, entonces se concluye que el biosorbente de coronta de maíz

influye directamente en la reducción de la concentración de cromo

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hexavalente en la muestra de efluente de agua residual de la industria

curtiembre.

Lagos (23), estudió el uso de la borra de café como bioadsorbente para

tratar los efluentes provenientes de una curtiembre local realizando un

pre-tratamiento básico a la borra de café y evaluaciones de adsorción

a distintas concentraciones de pH y tiempo de contacto. Se encontró

que a pH 5 y tres horas de adsorción se obtiene un coeficiente de

adsorción, de 9,19 ± 0,43 mg/g, mayor que la capacidad de adsorción

observada por algunos bioadsorbentes como aserrín de distintas

maderas y de cáscara de maní determinándose que el tamaño de grano

no afecta considerablemente la capacidad de adsorción y que basta el

tratamiento con solución básica y bajo agitación para obtener un

máximo coeficiente de adsorción de 8,51 ± 0,11 mg/g.

2.1.3. A nivel local García et al. (24), define que la pectina es una mezcla de polisacáridos

que presentan principalmente unidades de ácido galacturónico en su

estructura y se encuentra formando parte de la pared celular de

vegetales, como los cítricos. Los grupos carboxílicos en su forma

aniónica se caracterizan por tener tendencia hacia la captación de

especies catiónicas como Pb+2. La fuente empleada para la obtención

de pectina, mediante hidrólisis ácida (pH 1,4, temperatura: 80ºC

tiempo: 60 min.), fueron las cáscaras de naranja. Para disminuir la

capacidad de hidratación e hinchamiento de la pectina cuando se

encuentra en medio acuoso se realizó la reticulación empleando

formaldehído. El rango de pH en el cual se obtuvo la máxima capacidad

de sorción fue 4,5 – 5,5. En la mayoría de los casos el modelo

matemático de cinética de pseudo primer orden se ajustó mejor que la

de pseudo segundo orden a la cinética de biosorción de plomo en

pectina, tanto para diferentes concentraciones iniciales del metal en la

solución, como para diferentes cantidades de biosorbente.

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Finalmente, García et al. (25), reportan que el material péptico extraído

a partir de cáscaras de naranja se retículo previamente para disminuir

su capacidad de hidratación e hinchamiento cuando se encuentra en

medio acuoso. La determinación del grado de metoxilación (DM), el

porcentaje de ácido galacturónico anhidro (%AGA) y el pKa permitieron

caracterizar al biosorbente. El rango de pH en el cual se obtuvo la

máxima capacidad de sorción fue de 4,5 – 5,5. Para el procesamiento

de datos y tratamiento estadístico se empleó el programa estadístico

Origin versión 6.0. En el equilibrio de biosorción se obtuvo un mejor

ajuste en la isoterma de Langmuir, alcanzando una capacidad de

sorción máxima de qmax= 186 mg/g. El análisis por espectroscopía

infrarrojo con transformada de Fourier (FT-IR) permitió reconocer los

grupos funcionales característicos presentes y las modificaciones

realizadas en la biomasa. La morfología de la superficie del biosorbente

fue estudiada por el método de microscopía electrónica de barrido,

(SEM) y la composición elemental de la biomasa antes del proceso de

biosorción se obtuvo mediante análisis con espectroscopía de rayos X

con energía dispersiva (EDAX).

Cañazaca y Ccama (26) usaron la biosíntesis de nanopartículas de hierro

cero valente (NZVI) empleando hojas de eucalipto (Eucalyptus sp.)

para la remoción de cromo hexavalente, así las nanopartículas son

sintetizadas mediante reacción redox, usando polifenoles de eucalipto

y FeCl3 como agentes precursores, tras su caracterización se

obtuvieron nanopartículas de 150 –200 nm de forma granular y esférica

con gran contenido de nano compuestos haciéndose pruebas con

muestras sintéticas de cromo VI variando el pH entre valores de 3 y 5,

evaluando la cinética de remoción de Cr VI y obteniéndose una

eficiencia de remoción de 92,6%, donde la capacidad reductora de

eucalipto fue mayor cuanta más alta fue la cantidad de polifenoles, tras

un descarte preliminar se determinó que el método de extracción

asistida por microondas es el más adecuado para obtener gran

cantidad de polifenoles, tras la evaluación de las variables se determinó

que el pH bajo favorece la conversión de Cromo (VI) a Cr (III), el tiempo

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en sus valores máximos afectan de manera significativa el experimento,

incrementando el porcentaje de conversión de la variable respuesta. De

este modo, se observó que el uso de tecnologías avanzadas como el

uso de nanopartículas para la remoción de cromo hexavalente,

muestran gran eficacia en cuanto a remoción de Cr VI.

Prado y Ruiz (27), buscaron depurar las aguas residuales industriales

altamente contaminadas con Cromo (III y VI) del Parque Industrial de

Rio Seco - (PIRS) de la ciudad de Arequipa utilizando la microflora

nativa de la misma fuente. Así se aislaron 6 cepas bacterianas en medio

PlateCount suplementado con Cr (100µg/ml), antibióticos (Amoxicilina,

Dicloxacilina, Gentamicina, Cloranfenicol) y antifúngicos (Anfotericina

B). Se utilizaron pruebas bioquímicas y morfológicas para la

identificación de estos microorganismos los cuales se reconocieron

como: Streptococcus grupo D, Kingella spp, Arizona spp, Klebsiella

spp, Staphylococcus capitis, Corynebacteriu maquaticus. Los

microorganismos así aislados fueron sometidos a adaptación en agua

residual con sales de Cromo III y VI, ambos a 20 ppm durante 15 días

a 32°C, así como también a altas concentraciones de Cromo VI y

Cromo III para determinar la concentración de inhibición de éstos,

habiéndose determinado que para el Cromo VI la concentración de

inhibición fue de 500mg/L por el microorganismo Streptococcus spp y

para el Cromo III la concentración de inhibición fue de 0,025 g/ml por

los microorganisms Streptococus spp. Y Kingella. Se hizo además una

determinación de la degradación de Cr III y Cr VI con la técnica de la

difenilcarbazida en aguas sintéticas, utilizando Sulfato básico de cromo

III y Dicromato de Potasio como reactivos, siendo los microorganismos

con mejor desempeño el Streptococcus y Corynebacterium aquaticus,

los cuales lograron depurar un 44,42% y 40,47 % respectivamente del

Cromo VI en solución en 3 días, mientras que para el Cromo III se logró

obtener una depuración mayor al 65% para todos los microorganismos.

Los dos microorganismos mencionados anteriormente fueron

seleccionados y utilizados para la simulación en la laguna de oxidación

del Parque Industrial Rio Seco- (PIRS) con 30 L de agua residual. Los

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resultados mostraron una reducción de Cromo Total en un periodo de

5 días de 5,3730mg/ L a 0,313 mg/L por Corynebacterium aquaticus y

0,298 mg/l por Streptococcus; así como también una reducción de

Cromo VI de 2,24 mg/l a 0,2 mg/L por Corynebacterium aquaticus y

1,12 mg/L por Streptococcus; también se observó que hubo una

depuración de distintos metales, como zinc y plomo, entre otros,

presentes en el agua residual del Parque Industrial Rio Seco- (PIRS).

Finalmente se realizó una simulación virtual de los resultados obtenidos

para proyectar la factibilidad de la investigación a una escala real. Por

último, se concluye que el sistema utilizado puede considerarse factible

para el tratamiento de aguas residuales de curtiembres y ser aplicado

para el Parque Industrial de Rio Seco de la ciudad de Arequipa.

2.2. Base teórica 2.2.1. Curtiembres

Se denomina curtiembre al proceso mediante el cual las pieles de los

animales se transforman en un material denominado cuero, que se

conserva a través del tiempo con características de flexibilidad y

resistencia. (28)

La piel histológicamente está constituida por tres partes: la epidermis (piel

superficial), el cutis o corlium (piel propia del cuero) y el subcutis (tejido

conjunto situado debajo de la piel), en las industrias del curtido se utiliza

las pieles de los animales en bruto que se obtiene como subproducto de

las industrias cárnicas, y que de no ser por el curtido habría que

depositarlo en botaderos. Las pieles que más se utilizan son las de bovino,

porcino y ovino, las cuales constituyen la principal materia prima del sector

industrial del curtido. Según la Clasificación Industrial Internacional

Uniforme (CIIU), las actividades de curtido y adobo de cueros se

encuentran dentro de la categoría C-1511 “curtido y adobo de cueros;

adobo y teñido de pieles”. El proceso general de curtido consta de las

siguientes etapas: ribera, curtido, recurtido, teñido, engrase, secado y

acabado.

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A continuación, se describen las etapas del proceso de curtiembre, con el

uso de sales de cromo:

a. Recepción de la materia prima: Las pieles crudas tienen un alto

contenido de humedad y pueden tener graves defectos por lo que

inicialmente se realiza una inspección visual para asegurarse de que

cumplan con los requerimientos de calidad requeridos. (28) Durante la

etapa de recepción de las pieles se genera agua residual, proveniente del

escurrido de la humedad contenida en las pieles y pieles rechazadas, su

almacenamiento de pieles debe de ser en un lugar donde se mantenga la

piel fresca recién llegada, bañada de sal para su conservación. (9)

Figura 1. Almacenamiento de las pieles del ganado con sales de cromo. Fuente: Industria de curtiembre, Pinedo (9)

b. Pieles Verdes: Cuando el tiempo entre el sacrificio del animal y el

procesamiento de la piel es corto, la curtición se puede iniciar sin ningún

pre-tratamiento. En este caso, las pieles se denominan pieles verdes. (29)

c. Ribera: En esta etapa el cuero es preparado para ser curtido, en ella es

limpiado y acondicionado asegurándole un correcto grado de humedad.

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La sección de ribera se compone de una serie de pasos intermedios, que

son:

− Remojo: Durante esta operación se emplean grandes volúmenes de

agua que arrastran consigo tierra, cloruros y materia orgánica, así

como sangre y estiércol. Entre los compuestos químicos que se

emplean están el hidróxido de sodio, el hipoclorito de sodio, los

agentes tensoactivos y las preparaciones enzimáticas. Este proceso

se realiza en los botales. (9)

− Pelambre: Proceso a través del cual se hincha la epidermis y disuelve

el pelo utilizando cal y sulfuro de sodio, produciéndose además, al

interior del cuero, el desdoblamiento de fibras a fibrillas, que prepara

el cuero para la posterior curtición. (29) Este proceso emplea un gran

volumen de agua y la descarga de sus efluentes representa el mayor

aporte de carga orgánica. Además de la presencia de sulfuro de sodio

y cal, el efluente tiene un elevado pH (11 a 12). (9)

− Descarnado: Es una operación mecánica que elimina las carnazas

y grasas de la piel en estado de tripa; estos residuos representan

gran porcentaje de la humedad, generando restos de carne y

recorte de piel. (9)

− División: Se puede hacer en la ribera después del pelambre o

después del curtido. Esta operación es exclusiva para producción

de vaquetas, consiste en dividir en dos capas la piel hinchada y

depilada separando la flor o vaqueta y la camaza que es la parte de

la piel que estaba en contacto con la carne del animal. Aquí, además

de partir el cuero en dos capas, también se generan piltrafas

además de los recortes de la parte inferior. (29)

− Divididora: Los restos de piel que se desechan contienen

carnazas, grasas, sangre y excrementos que aportan carga

orgánica a los residuos de curtiembres. Encargada de adelgazar el

cuero. (9)

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d. Curtido: El curtido comprende los siguientes pasos

− Desencalado: Donde se lava la piel para remover la cal y luego aplicar

productos neutralizantes, por ejemplo: ácidos orgánicos tamponados,

azúcares y melazas, y ácido sulfoftálico.

− Purga enzimática: El efecto principal del rendido tiene lugar sobre la

estructura fibrosa de la piel, pero existen una serie de efectos

secundarios sobre la elastina, restos de queratina de la epidermis y

grasa natural de la piel. Su acción es un complemento en la

eliminación de las proteínas no estructuradas, y una acción sobre la

limpieza de la flor, la que se traduce en lisura de la misma, y le confiere

mayor elasticidad. (9,28)

− Piquelado: El proceso de piquelado comprende la preparación de la

piel para el proceso de curtido, mediante la utilización de ácido fórmico

y sulfúrico principalmente, la acidulación de las pieles ayuda a fijar las

sales de cromo entre las células con el cloruro de sodio se evita el

hinchamiento de las pieles. Durante el piquelado ácido se produce una

hidrólisis ácida que tiene como consecuencia la solubilización del

colágeno. Este efecto se aprovecha para obtener una mayor apertura

de la piel. (29) e. Recurtido: Proceso que utiliza sales minerales diferentes al cromo y

curtientes sintéticos como los sintanos, para volver uniforme al cuero. (9) f. Etapa de acabado: La etapa de acabado comprende las operaciones y

procesos que dan al cuero las características finales que requiere para la

confección a 19 diferentes fines. En esta etapa se procede al teñido,

suavizado, pintado y planchado final del producto. (29)

− Teñido: Para el teñido se emplean tintes con base de anilina. Estos

baños presentan temperatura elevada y color. Se realizan en los

botales.

− Secado: Se pasa el cuero al proceso de secado ya sea al vacío, al sol

o aire.

− Recorte de acabado: Esta operación permite darle un aspecto

uniforme al cuero. Genera restos de cuero terminado, los que aportan

retazos de cuero para luego obtener el producto final. (9)

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Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de curtido

Fuente: Apaza, W. (30)

2.2.1.1. La contaminación por curtiembre

Es posible identificar los principales impactos ambientales del proceso

de producción del curtido de cueros centrado en la utilización del metal

pesado cromo (III) con la posible oxidación a cromo (VI). El cromo y sus

formas son difícilmente biodegradables, por lo cual son una carga para

el ambiente debido a su persistencia, acumulación en el tiempo y efectos

impredecibles sobre la vida acuática. En el caso del cromo (VI) es un

comprobado cancerígeno humano. (31)

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Figura 3. Contaminación de las curtiembres en el parque industrial Cerro Colorado –Arequipa

Fuente. Elaboración Propia

2.2.2. Vitis vinifera L.

En la actualidad, la vid es uno de los mayores cultivos hortícolas del

mundo, el cual ha estado estrechamente relacionado con el desarrollo

de la cultura humana. Su principal producto, el vino, fue considerado

como una bebida de los dioses, jugando también un papel muy

importante en la cultura mediterránea (32). La uva es el fruto de la vid en

estado de madurez. El racimo de uva comprende dos partes bien

diferenciadas: La leñosa o escobajo y las bayas o granos cuya ruptura

proporciona el zumo o mosto. El escobajo es el elemento del racimo

que sirve de soporte de las bayas, así como de alimentación mediante

los vasos conductores, el peso representa del orden de un 3 a 7 % del

racimo (33).El grano de la uva se divide en 4 partes cada una de ellas

con un aporte específico de características y componentes: la piel, la

pulpa, las pepitas y el pince.

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Figura 4. Partes del fruto de uva (1) Epicarpio, 2) Mesocarpio, 3) semilla y 4) pincel)

Fuente. Agronotas (34)

− La piel (Epicarpio u hollejo) (1): Capa exterior del grano o baya de

uva. contiene la mayor parte de los componentes colorantes y

aromáticos de los vinos. Esto se usará como adsorción de cromo

hexavalente

− La pulpa (Mesocarpio) (2): Formado por grandes células ricas en

mosto. se encuentran los principales componentes del mosto (agua

y azúcares) que después, mediante la fermentación se

transformarán en vino.

− Las pepitas o semillas (3): El endocarpio del fruto contiene las

semillas, originadas por la fecundación de los óvulos, como máximo

hay 4, se encuentran dentro de la pulpa y difieren según las

variedades, llegando incluso a encontrarse uvas que nos las

contienen. Poseen una capa muy dura y proporciona taninos al vino. − Pincel (4): Es el canal por el que se nutre la baya, formado por la

prolongación de los vasos conductores del pedicelo. (35)

2.2.2.1. Composición de la vitis vinifera L. La proporción de los componentes del grano varía con las distintas

variedades de uva y también dentro de una misma variedad debido a

factores ecológicos, grado de maduración y la intervención directa del

hombre a través de los cuidados culturales. Tales factores influyen en

la forma, tamaño y peso del grano. (33)

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2.2.2.2. Obtención del epicarpio de Vitis Vinifera L.

Se realiza cuando la uva alcanza su madurez adecuada, la uva se debe

cosechar usando tijeras, no arrancando los racimos y recolectando en

cajones de madera o canastillas realizando el transporte hacia la

bodega (lagares), los cuales son depósitos de cemento amplios

construidos a la entrada de las bodegas. En la recepción, la materia

prima se procede a solear, y recogiendo las impurezas por tres días,

luego la uva se coloca en los lagares para ser molida suavemente

realizando la “pisa” que consiste en pisar la uva por un grupo de

personas. Se debe evitar el triturado excesivo de la cáscara, lo cual

hace que se genere más metanol y disminuya el rendimiento, el vino

se obtiene por filtración y el mosto, los palillos del mosto son

desechados. (33)

2.2.2.3. Usos de la Vitis vinifera L. en el mundo

A nivel mundial el 80% de uva producida es utilizada en la elaboración

de vinos. Por su alto contenido nutricional también es orientada para

su consumo en fresco y en la producción de zumos, mermeladas,

colorantes naturales y pasas. Las cáscaras y semillas son un desecho

aprovechable de la uva que se obtiene del primer paso del proceso de

obtención del vino. Entre sus componentes, existen compuestos

antioxidantes que pueden servir en forma desecada y triturada (cas-

sem) como materia prima base para el preparado de alimentos semi-

procesados, como mermeladas, harina, fibra dietaría, entre otros. Su

semilla tiene un alto contenido en aceite el cual es utilizado en

alimentación y en la industria de la cosmética. Los componentes

antioxidantes de la uva y presentes en el vino, así como en otras frutas,

verduras y alimentos vegetales, hacen tener a la mano alimentos que

favorecen el cuidado y preservación de la salud. (35)

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2.2.3 Cromo 2.2.3.1. Generalidades

El Cromo (Cr) es un metal, de número atómico 24, del grupo VIB de la tabla

periódica, (36) se encuentra en estados de oxidación +2, +3, +6. El estado

hexavalente Cr (+6) es el más importante, toxicológicamente lo presentan

los cromatos, dicromatos y el ácido crómico. (37) Por otro lado, el Cr (III) es

un oligoelemento indispensable en el metabolismo de la glucosa, colesterol,

ácidos grasos, involucrado en otros múltiples procesos biológicos. (38) El Cr

es de amplia importancia, ya que es muy utilizado en distintas actividades

industriales y aunque puede existir en diferentes estados de oxidación, en

el ambiente solo se encuentran en forma estable los estados +3 y +6. (4)

El Cr VI se encuentra comúnmente en forma de oxianiones hidrosolubles,

cromatos (CrO4)2 y dicromatos (Cr2O7)2, mientras que el Cr III en forma de

óxidos, hidróxidos o sulfatos que son menos móviles y existe unido a

materia orgánica en el suelo y en ambientes acuáticos. El Cr VI es un fuerte

agente oxidante y en presencia de materia orgánica, es reducido a Cr III;

esta transformación es más rápida en ambientes ácidos. Sin embargo,

niveles elevados de Cr VI pueden sobrepasar la capacidad reductora del

ambiente y puede así persistir como un contaminante. Diversos

compuestos de cromo son contaminantes ambientales presentes en agua,

suelos y efluentes de industrias, debido a que dicho metal es ampliamente

utilizado en distintas actividades manufactureras, tales como cromado

electrolítico, fabricación de explosivos, curtido de pieles, aleación de

metales, fabricación de colorantes y pigmentos, entre otros. (39)

Los compuestos de Cr VI son oxidantes fuertes y altamente solubles, con

capacidad de atravesar fácilmente las membranas biológicas, mientras que

los compuestos de Cr III tienden a formar precipitados relativamente inertes

a pH cercanos a la neutralidad. (4)

Las especies de cromo hexavalentes existen principalmente como ácido

crómico (H2CrO4) y sus sales ion hidrógeno cromato (HCrO4-), ion cromato

(CrO42–), dependiendo del pH. Las especies predominantes, como función

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del pH, son ácido crómico (H2CrO4) a pH menores que 1, ion hidrógeno

cromato (HCrO4–) a pH entre 1 y 6 y, ion cromato CrO42– a pH sobre 6. (40)

Figura 5. Principales especies de cromo hexavalente (VI), dependiendo del Ph Fuente: Guevara (40)

Desde el punto de vista toxicológico el Cr (VI) es el de más importancia

y puede estar en forma de sales de dicromato y cromato, así como ácido

crómico. (37) Por otro lado, el Cr (III) es un oligoelemento indispensable

en el metabolismo de la glucosa, colesterol, ácidos grasos y cristalinos

involucrados también en otros múltiples procesos biológicos. (38)

2.2.3.1. Toxicología

La toxicidad se debe a los derivados Cr (VI) que, contrariamente al Cr

(III) penetran en el organismo por cualquier vía con mayor facilidad. El

Cr (VI) es considerado carcinógeno del grupo I por la International

Agency for Research on Cancer (IARC). En cambio, el Cr (III) no ha sido

comprobado como carcinogénico. (41)

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2.2.3.2. Toxicocinética

El cromo se absorbe por vía oral, respiratoria o dérmica. Se distribuye a

nivel de médula ósea, pulmones, ganglios linfáticos, bazo, riñón, e

hígado. La absorción del Cr (III) es menor que la del Cr (VI). El Cr (III) no

atraviesa las membranas celulares, uniéndose directamente a la

transferrina. El Cr (VI) es rápidamente tomado por los eritrocitos e

integrado a otras células por el sistema transportador de sulfatos. El Cr

(VI) se reduce rápidamente a (III) intracelularmente a nivel de

mitocondrias y el núcleo. A nivel del citoplasma por reductores

intracelulares como el ácido ascórbico, el glutatión, flavoenzimas y

riboflavinas. La reducción intracelular genera intermediarios reactivos

como Cr (V), Cr (IV) y Cr (III), así como radicales libres hidroxilo y

oxígeno. (42) Estas formas reactivas del Cr son susceptibles de alterar el

ADN. Finalmente, su eliminación es por vía renal el 60 %, en menor

grado por heces (vía biliar), cabello, uñas, leche y sudor. (43)

2.2.3.3. Toxicodinamia

Las manifestaciones tóxicas son generalmente atribuidas a los derivados

(VI). Entre otras, la acción tóxica se produce por acción cáustica directa,

sensibilización cutánea, citotoxicidad e inflamación de neumocitos,

interacción con biomoléculas, el Cr (VI) induce alteración de cromátidas

hermanas, aberraciones Cromosómicas y reacciones cruzadas en la

cadena de ADN. (42)

2.2.3.4. Riesgos en el ser humano por cromo hexavalente

El cromo (VI) es un peligro para la salud de los humanos, sobre todo

para la gente que trabaja en la industria del acero y textil (44), ya que el

cromo (VI) , es la forma tóxica del metal cromo donde aspirar durante un

largo período de tiempo aumenta el riesgo de cáncer de pulmón y otros

cánceres.

Asimismo, causa Irritación de la nariz, la garganta y los pulmones

(secreción nasal, tos), síntomas alérgicos (sibilancias, dificultad para

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respirar), llagas nasales y perforación de la membrana que separa las

fosas nasales (a niveles muy altos de aire en los lugares de trabajo)

también comer o beber Cr (VI) puede ser dañino para los seres

humanos. Los estudios demuestran que el Cr (VI) en el agua potable

puede causar un mayor riesgo de cáncer del estómago y daño

reproductivo. El contacto directo con Cr (VI) puede causar erupciones de

la piel alérgicas en algunas personas. (45)

2.2.3.5. Fuentes de cromo

Por sus características químicas y por los beneficios que nos brindan en la

elaboración de múltiples productos, los compuestos de cromo son

ampliamente utilizados en diversos procesos industriales.

El cromo hexavalente se emplea en la manufactura de colorantes y

pigmentos, fabricación de pinturas, curtido de cuero, productos de

compuestos conservadores de la madera y para fabricar cintas magnéticas.

(46)

En la Tabla 1 se muestra algunos tipos de compuestos de cromo y los usos

que tienen en diferentes industrias.

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Tabla 1. Compuestos de cromo y sus usos en diferentes procesos de la industria.

Tipos de compuestos Usos

Acido crómico Galvanoplastia

Dicromato sódico Curtidos de pieles

Trifluoruro de cromo

Cloruro crómico

Mordiente para teñidos

Sulfato crómico Colorante de gemas sintéticas

Fluoruro de cromo

Dicromato de sodio

Tinción de telas

Acetato de cromo Estampados de textiles

Ion trivalente(Cr3+)

Ion hexavalente (Cr6+) (CrO4)

Colorante de vidrio

Fuente. Adaptado de Química orgánica (46)

2.2.3.6. Contaminación ambiental con cromo

El aire y el agua se contaminan con cromo (III y VI) a partir de las

actividades humanas. La concentración de cromo en el aire en forma de

material particulado puede aumentar como resultado de la quema de

carbón y petróleo, la producción de acero, soldadura de acero inoxidable,

manufactura de productos químicos y uso de productos que contienen

cromo. La contaminación de las aguas ocurre por la descarga de

desechos derivados de la manufactura de colorantes y pigmentos para

el curtido de cueros; la mayor parte de las veces, el cromo se va al fondo

y sólo una pequeña parte se diluye en el agua. El suelo también puede

contaminarse, debido al depósito de residuos de la industria y cenizas

de carbón provenientes de plantas generadoras de electricidad. Por lo

general, el cromo (III) se elimina de la atmósfera mediante procesos de

deposición en húmedo y en seco, las partículas de cromo (III) de

diámetro aerodinámico de menos de 20 μm pueden quedarse. (44)

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Figura 6. Contaminación con residuos por curtiembre de rio seco

Fuente. Elaboración Propia

2.2.3.7. Valores permisibles

Los Valores Límites permisibles a nivel internacional de la Secretaria

Distrital de Salud de Bogotá reporta valores de referencia para Población

General de hasta 10 μg/L y para población expuesta hasta 20 μg/L. (41),

así mismo el establecimiento de los límites ambientales generales está

de acuerdo con las concentraciones que se han verificado en varias

partes del mundo y con las cuales no se han detectado efectos en la

salud de la población expuesta. A diferencia de los límites

ocupacionales, que han sido objeto de frecuentes estudios de diferente

naturaleza y de constantes evaluaciones, los límites ambientales

generales necesitan de mayores evaluaciones. Con el tiempo estos

límites podrían sufrir modificaciones importantes debido a nuevos

hallazgos o cambios en las condiciones en que hoy se presenta el cromo.

Los valores limites generales establecidos para el cromo en el ambiente

según antecedentes bibliográficos son:

− Aire urbano: 50 mg/m3

− Agua de océanos: 5 mg/L

− Agua potable: 0,05 mg/L

− Suelo: 125 mg/kg en promedio, aunque puede aumentar hasta 250

mg/kg (no existe un límite preciso)

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− Alimentos: la ingesta diaria no debe exceder de 0,03-0,1 mg/día.

En el Perú mediante el Decreto Supremo 003-2002 PRODUCE, se

aprueban los límites máximos permisibles (LMP) para las actividades

industriales del cemento, cerveza, curtiembre y papel, cuyo

cumplimiento es obligatorio e inmediato para las actividades que inicien

a partir de la fecha de publicación. Para actividades en curso, deberán

cumplirse en un plazo no mayor a cinco años.

El límite permisible de cromo en el agua en curso (ríos), empleado para

riego de planta de tallo corto y consumo de animales es de 1 mg/L,

mientras en el agua potable es de 0,05 mg/L (Decreto ley 17732, "Ley

general de agua", Art. 81). (47)

2.2.4. Biosorción

La biosorción, basada en la capacidad de varios materiales de origen

biológico de retener metales, se presenta como una tecnología

alternativa en el tratamiento de aguas residuales ya que presenta un bajo

coste de proceso y una buena capacidad de sorción. El desarrollo de

esta tecnología no empezó hasta la década de los 90. Las primeras

publicaciones describían la cantidad de materiales biológicos que podían

emplearse para eliminar, a muy bajo coste, incluso a concentraciones

bajas, metales tóxicos de efluentes industriales. Así se pueden distinguir,

según su origen, dos tipos de biosorbentes: (48)

− Biomasa microbial: engloba algas, bacterias, hongos y levaduras.

Fácilmente disponibles y en grandes cantidades en la naturaleza. Las

inmovilizaciones de la biomasa en estructuras sólidas crean un

material con el tamaño, resistencia mecánica, rigidez y porosidad

necesarios para su uso en columnas. (48)

− Residuos vegetales procedentes de procesos industriales o

agrícolas. Deberían obtenerse gratuitamente o a muy bajo coste. (48)

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2.2.5. Mecanismos De Biosorción

Los mecanismos de biosorción son muy variados y dependen en cada

caso del metal y del material sorbente. La extracción de metales por

biosorbentes vegetales se atribuye a sus proteínas, carbohidratos y

componentes fenólicos que contienen grupos carboxil, hidroxil, sultatos,

fosfatos y amino que pueden atrapar los iones metálicos. (25)

Cuando los biosorbentes son de origen orgánico, la extracción de

metales se atribuye a los grupos amino y fosfatos en los ácidos nucleico,

amido y carboxílicos en las proteínas; grupos hidroxil, carboxil y sulfatos

de polisacáridos en algas marinas; polisacáridos estructurales en

hongos y grupos acetamido en la quitina. (24)

2.2.6. Aspectos teóricos de la adsorción Para el diseño preliminar de las tecnologías de la adsorción se debe

estimar la adsorción en equilibrio y la capacidad del adsorbente sobre el

adsorbato. La eficiencia de adsorción es un atributo complejo, depende

del equilibrio y la cinética. (25)

2.2.7. Modelamiento cinético

Los modelos cinéticos de primer y segundo orden, interpretan la difusión

intraparticular que será aplicada para discutir la tasa y la cinética de

adsorción del cromo (VI) a partir (19)

Cinética de primer orden

𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶0

= 1 −𝑚𝑚𝑞𝑞_1𝐶𝐶0𝑉𝑉

[1 − 𝑒𝑒−𝑘𝑘_1𝑡𝑡]

(Ec. 1)

Dónde:

Ct: Concentración de Cr6+ a cualquier tiempo de estudio (mg/L)

C0: Concentración inicial de Cr6+ (mg/L)

q_1: Cantidad de sustancia adsorbida en el equilibrio (mg de Cr6+/g)

k_1: Constante de adsorción de primer orden (min-1)

V: Volumen (L)

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m: Cantidad de adsorbente (g)

t: tiempo de contacto (min)

Cinética de segundo Orden

𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶0

= 1 −𝑚𝑚𝑞𝑞_2𝐶𝐶0𝑉𝑉

�1 −1

𝛽𝛽2 + 𝑘𝑘_2𝑡𝑡�

(Ec. 2)

Dónde:

Ct: Concentración de Cr6+ a cualquier tiempo de estudio (mg/L)

C0: Concentración inicial de Cr6+ (mg/L)

q_2: Cantidad de sustancia adsorbida en el equilibrio (mg de Cr6+/g)

k_2: Constante de adsorción de primer orden (min-1)

β2: Constante

V: Volumen (L)

m: Cantidad de adsorbente (g)

t: tiempo de contacto (min)

2.3. Hipótesis

2.3.1. Hipótesis principal Dado que existen antecedentes del uso del residuo de Vitis vinifera L.

como remoción de metales, es probable que el epicarpio de Vitis

vinifera L. presente capacidad remoción de cromo hexavalente.

2.3.2. Hipótesis secundaria

− Es probable evaluar los parámetros de linealidad, precisión y

sensibilidad del método analítico para la determinación de Cr (VI) por

espectrofotometría.

− Es posible determinar la cinética de remoción y la cantidad de Cr (VI)

adsorbida en el equilibrio por gramo de usando modelos matemáticos

de primer y segundo orden.

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− Es probable determinar el modelo matemático de la velocidad de

remoción de Cr (VI) en Epicarpio de Vitis vinifera L. mediante

modelamiento matemático.

− Cuál es el mejor efecto de los factores pH, cantidad de biosorbente, y

tamaño de partícula en el proceso de remoción de Cr+6 en biomasa

de Epicarpio de Vitis vinifera L.

− Es probable analizar por espectrofotometría IR la biomasa de antes y

después de la remoción.

2.4. Variables 2.4.1. Identificación de variables

Variable Independiente: Epicarpio de Vitis vinifera L, pH, tamaño de

partícula y tiempo de contacto.

Variable dependiente: Concentración de Cr (VI).

2.4.2. Definición conceptual de variables Variable Independiente

− Biomasa de Epicarpio de Vitis vinifera L.: gramos de obtenidas

de la hacienda Miraflores, Valle de San Juan de Chorunga distrito

de Rio Grande, departamento de Arequipa.

− pH: evaluar los pH de 2 y 4 en medios acuosos.

− Tamaño de partícula: Evaluar los tamaños de partícula de 150 a

600 µm.

Variable dependiente

− Concentración de Cr(VI) Concentración a estudiar en el proceso de adsorción en ppm (mg/L)

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2.5. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES

Tabla 2. Operacionalización de variables

Variable INDEPENDIENTE Indicador Subindicador

Biomasa de Cantidad de Epicarpio

de Vitis vinifera L. gramos

Ph

Grados de acidez o

basicidad de una

solución acuosa

pH=2

pH=4

Tamaño de partícula

Partículas clasificadas

por tamaño en un

tamizador

150 µm

600 µm

Tiempo de contacto Tiempo Horas

Variable DEPENDIENTE Indicador Subindicador

Cromo hexavalente Concentración mg/L

Fuente. Elaboración propia

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CAPÍTULO III

METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

3.1. Tipo y nivel de investigación Nivel de la Investigación Experimental

Tipo de Investigación Según manipulación de variables: Experimental

Según número de mediciones: Transversal

Según la temporalidad: Prospectivo

Enfoque: Cuantitativo

Por el propósito o finalidad: Aplicada

Paradigma: Positivista

Diseño de la Investigación

Experimental

3.2. Descripción del ámbito de la Investigación Ubicación espacial

El presente trabajo de investigación se desarrolló en los laboratorios de

la Universidad Privada Autónoma del Sur.

Ubicación temporal

El presente trabajo de investigación fue desarrollado entre los meses de

noviembre y diciembre del 2018.

3.3. Población y muestra a. Población

Las muestras de epicarpio vitis vinifera L. de fueron recolectadas del valle

de San Juan de Chorunga de la Región de Arequipa.

b. Muestra y muestreo

No probabilístico

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3.4. Técnicas e instrumentos para la recolección de datos 3.4.1. Materiales, equipos y reactivos

A. Reactivos − Ácido clorhídrico concentrado Merck.

− 1,5 – difenilcarbazida Merck

− Buffer pH 10

− Buffer pH 4

− Buffer pH 7

− Dicromato de potasio p.a. Merck

− Hidróxido de sodio p.a. Merck

− Nitrato de sodio p.a. Merck

− Alcohol puro JT Baker

B. Materiales

− Electrodo de pH

− Equipo de venoclisis

− Fiolas de 5, 10, 25, 50, 100, 500 y 1000 mL

− Gradillas

− Jeringa de 10 mL,5 mL

− Lunas de reloj

− Micropipetas de 100 a 1000 µL

− Papel filtro

− Papel Kraft

− Puntas para micropipeta

− Termómetros

− Viales

− Vasos de precipitados de 100, 150 mL, 200 mL y 300 mL.

C. Equipos

− Equipos de agitación tipo Batch o Jar Test

− Espectrómetro UV/vis marca UNICO MODELO 2100

− Estufa marca MEMMERT

− Molino convencional marca victoria

− pH-metro de mesa marca Milwaukee MI-151

− tamizador marca Riceli Equipos

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35

D. Software

Para el procesamiento de datos se usó Minitab 17 (Diseño factorial),

Microsoft Excel Professional (Solver: para ajuste de modelos

matemáticos de primer y segundo orden), OriginPro 9.0 (Modelo

matemático) y WolframMathematica 10 (Modelamiento matemático de

la primera derivada para hallar la velocidad).

3.4.2. Preparación del adsorbente

Se recolecto el Epicarpio de Vitis vinifera L. de los residuos de la

fabricación del vino de la uva tempranillo de la hacienda Miraflores

propietario del señor Godofredo Villena del Valle de San Juan de

Chorunga, distrito de Rio Grande, provincia Condesuyos, departamento

de Arequipa como se observa en la Figura 7.

Figura 7. Residuos de Epicarpio de Vitis vinifera L.

Fuente. Elaboración Propia

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36

Se recolecto manualmente y se depositó en bolsas de polietileno en una

cantidad aproximada de 10 kg luego fueron transportadas hacia la ciudad

de Arequipa, en el momento de la recolección fue seleccionado y

descartado los que presentan signos de deterioro. Luego se separaron

las semillas del Epicarpio de Vitis vinifera L. como se observa en el

diagrama de flujo de la Figura 8.

Figura 8. Proceso de selección de la biomasa de

Fuente. Elaboración propia

Materia prima (UVA)

Despalillado Residuo (Raspo)

Proceso

Vino Mosto Húmedo

Secado

Separación

Epicarpio de Vítis Vinífera L Semilla (pepa)

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37

Las muestras de Epicarpio de Vitis vinifera L., fueron lavadas con

abundante agua. Seguidamente todo el material fue enjuagado con agua

destilada y se procedió al secado a una temperatura de 40,0 ± 0,5 °C en

una estufa. La biomasa se observa en la Figura 9.

Figura 9. Biomasa seca de Epicarpio de Vitis vinifera L.

Fuente. Elaboración propia.

Posteriormente, se trituró el Epicarpio de Vitis vinifera L. usando un

molino casero para luego almacenarlo en tapper.

Figura 10. Molino marca VICTORIA usado para la trituración de

Epicarpio de Vitis vinifera L.

Fuente. Elaboración propia

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38

Seguido, se procedió a clasificar en diversos tamaños de partícula usando

Tamices estándares Riceli equipo Números 20, 30, 40, 50, 100 y 200 que

corresponden a diámetros de malla con un 75, 150, 300, 450, 600, 850 µm

ordenados en serie como se observa en la Figura 11.

Figura 11. Proceso de Tamizaje línea de usando Tamizadores

Riceli equipo

Fuente. Elaboración propia.

3.4.3. Preparación del gráfico de calibración (Curva de calibración)

Para la construcción de la calibración se prepararon las siguientes

soluciones:

a. Solución Madre de cromo (VI)

Se preparó una solución madre de cromo (VI) a una concentración de

500 mg/L (ppm) a partir de dicromato de potasio desecado a 105 °C

por 1 hora, para eliminar la presencia de humedad en el reactivo.

b. Solución estándar (200 ppm)

Una alícuota de la solución Madre de cromo (VI) fue diluida con agua

destilada en una fiola de 300 mL.

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39

c. Solución ácido clorhídrico (HCl) 0,5 N

Se preparó la solución al 0,5 N a partir de una solución de ácido

clorhídrico concentrado.

d. Solución nitrato de sodio (NaNO3) 0.1 M Se pesó 4,2510 g de nitrato de sodio (NaNO3) disolviéndolo en agua

destilada en una fiola de 500 mL para luego enrasar hasta aforo.

e. Solución de difenilcarbazida a una concentración de 5 mg/mL

La preparación se desarrolló en una fiola cubierta con papel aluminio

para evitar que la luz interaccione con la solución.

f. Soluciones patrones de calibración En la tabla 3, presenta la preparación de las soluciones estándar a

concentraciones de 0; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 y 1,0 mg/L de cromo

(VI) las cuales se dejaron en reposo durante 10 minutos antes de leer al

espectrofotómetro a 540 nm.

Tabla 3. Soluciones estándar

Cr (VI)10 mg/L

(mL)

NaNO3 8.50mg/L

(mL)

HCl 41.8mL/L

(mL)

DFC 5mg/mL

(mL)

Volumen final (mL)

0 5,0 1,0 0,5 10,0

0,3 5,0 1,0 0,5 10,0

0,4 5,0 1,0 0,5 10,0

0,5 5,0 1,0 0,5 10,0

0,6 5,0 1,0 0,5 10,0

0,7 5,0 1,0 0,5 10,0

0,8 5,0 1,0 0,5 10,0

0,9 5,0 1,0 0,5 10,0

1,0 5,0 1,0 0,5 10,0

Fuente. Araujo (49)

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40

Es necesario dar a conocer que, el cromo (VI) reacciona con la

difenilcarbazida (DFC) la cual en medio ácido se oxida a difenilcarbazona

y el cromo es reducido a cromo (III), como se observa en la ecuación 3

(Ec. 3). (49)

𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑒𝑒𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 + 𝐶𝐶𝐷𝐷+6 → 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑒𝑒𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 + 𝐶𝐶𝐷𝐷+3 (Ec. 3)

Por lo tanto, la difenilcarbazona forma un quelato con el cromo (III) en

relación 3 a 1 respectivamente, así pues, en la figura 12, se observa

como 3 moléculas de difenilcarbazona se unen con enlaces covalentes

coordinados a una molécula de Cr (III), cabe mencionar que podría

encontrarse en forma de cloruro por la presencia de dicho anión en el

proceso de formación de dicho quelato. (49)

Figura 12. Complejo difenilcarbazona con Cr+3

Fuente: Araujo (49)

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41

3.4.4. Linealidad, sensibilidad y precisión del método a. Linealidad

La linealidad de un método analítico se refiere a la proporcionalidad entre

la concentración de analito y su respuesta. Esta validación es necesaria

si se trabaja con estándar en las determinaciones de rutina, aunque

pueden aceptarse métodos no lineales, si se opera con estándares

múltiples cada vez. Además, conjuntamente se determina el rango lineal,

es decir, el intervalo comprendido entre la concentración mínima y

máxima de analito para el cual el método ha sido probado y dentro del

cual se puede efectuar el dosaje por interpolación en una curva estándar,

y se determina la curva de regresión 𝑦𝑦 = 𝐷𝐷 + 𝐷𝐷𝑏𝑏. (50)

Siendo a y b (Ec. 1 y Ec. 2) los estimadores de la ordenada al origen y

pendiente respectivamente, n el número de mediciones, Xi la

concentración e Yi, el valor medido en el ensayo , Independientemente de

la apariencia de la recta, resulta conveniente evaluar los estimadores de

la regresión en un intervalo de confianza dado (p = 0,05). (50)

Posteriormente se evaluó el coeficiente de correlación lineal R2 que según

la USP debe ser mayor a 0,995 para que un método sea considerado

lineal (R2>0,995), dicho parámetro se determina mediante la siguiente

formula. (50)

( ) ( )

−=

∑ ∑∑ ∑

∑ ∑∑

nY

YnX

X

nYX

YXr

ii

ii

iiii

22

22

(Ec. 4)

b. Límites de detección y cuantificación (Sensibilidad) Para la determinación de los límites de detección (LD) se usó la siguiente

formula: (50)

𝐿𝐿𝐷𝐷 =𝑌𝑌𝐷𝐷𝐷𝐷 + 3𝑆𝑆𝐷𝐷𝐷𝐷

𝐷𝐷×

1√𝐷𝐷

(Ec. 5)

Para la determinación de los límites de cuantificación (LC) se usó la

siguiente formula: (50)

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𝐿𝐿𝐶𝐶 =𝑌𝑌𝐷𝐷𝐷𝐷 + 10𝑆𝑆𝐷𝐷𝐷𝐷

𝐷𝐷×

1√𝐷𝐷

(Ec. 6)

c. Precisión

Es la dispersión de la medida alrededor de un valor medio.39

Preparación del ensayo

Se preparan muestras que contengan Cr (VI) para luego proceder a

determinar su concentración 6 veces, dicho procedimiento fue realizado

por el mismo analista. (50)

Análisis estadístico

La precisión está relacionada con la dispersión de las medidas alrededor

de su valor medido o central y corresponde al grado de concordancia

entre ensayos individuales cuando el método se aplica repetidamente a

múltiples alícuotas de una muestra homogénea. (50)

La precisión se expresa matemáticamente como la desviación

estándar,σ, este por s o más comúnmente como la desviación estándar

relativa (DSR) o coeficiente de variación (CV). (50)

( )1

1

2

−=∑=

n

XXS

n

ii

(Ec. 7)

Donde n es el número de medidas, es el valor medido en el ensayo i y

el estimador de la medida de la población µ calculado como: (50)

n

Xn

ii∑

== 1X (Ec. 8)

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Por su parte, la desviación estándar relativa o coeficiente de variación se

calcula como: (50)

X100⋅

=SDSR

(Ec. 9)

Ambos estimadores, desviación estándar y desviación relativa permiten

evaluar la incertidumbre en la estimación de la medida (error aleatorio,

correspondiente a la dispersión de datos alrededor de la medida). La

precisión de un método deberá estudiarse sobre vitis vinifera L. (50)

El sistema, evaluando la dispersión de al menos 6 lecturas del estándar.

La precisión debe medirse en condiciones repetitivas (mismo analista,

mismo día, mismo instrumento) y en condiciones reproducibles (diferente

analista diferente día, diferente instrumento).

Así la USP indica una DSR del sistema de no más de 2%, leyendo 5 veces

una solución estándar, aunque pueden obtenerse en condiciones

apropiadas valores inferiores al 1% e incluso menores.

3.4.5. Proceso de adsorción de cromo (VI) en biomasa de Epicarpio de Vitis vinifera L.

3.4.5.1. Diseño y construcción de un sistema de agitación Tipo Batch

Se diseñó un sistema de agitación usando material de acero inoxidable,

las poleas de aluminio, motores. Dicho sistema, se construyó con

capacidad de agitación continua para 12 vasos con 2 filas de 6, el diseño

por vaso se observa en la Figura 13.

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Figura 13. Sistema de agitación tipo Batch.

Fuente. Bioingenieria (51)

3.4.5.2. Estudio cinético de adsorción mediante sistema tipo Batch

El sistema de adsorción tipo Batch consta de un sistema abierto en el cual

se mezcla por agitación el adsorbente (y el adsorbato (Cromo VI) a una

concentración inicial de 200 mg/L, por otro lado, se tomaron muestras a

los 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70,80 y 90 minutos para luego

leer las absorbancias por espectrofotometría a 540 nm.

Por otro lado, a través de modelos de primer y Segundo Orden se

determinó la de respectivamente.

3.4.6. Diseño factorial

Con la finalidad de evaluar la influencia de las condiciones establecidas

en el proceso de adsorción de cromo (VI) en biomasa de Epicarpio de Vitis

vinifera L. el cual permite reducir significativamente el número de

experimentos ahorrando tiempo y energía.

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45

Es así que la eficiencia o porcentaje de remoción será definida por la

siguiente fórmula.

%𝑅𝑅 = 𝐶𝐶𝑖𝑖 − 𝐶𝐶𝑓𝑓𝐶𝐶𝑖𝑖

× 100 (Ec. 10)

Dónde:

− %R: Porcentaje de remoción

− Ci: Concentración inicial

− Cf: Concentración final de cromo en solución

Luego, a partir de la solución madre de cromo (VI) de 500 mg/L se preparó

una solución de estudio de aproximadamente 200 mg/L para el estudio de

un análisis de varianza mediante un diseño factorial 23. Los factores a

analizar fueron; pH de 2 y 4 para evaluar la especie de Cr (VI) como anión

dicromato (Cr2O7 -2), cantidad de adsorbente de 1 y 2 gramos, finalmente

como tercer factor tamaños de partícula menor de 150-300 µm y mayor

de 300-600 µm seleccionadas en un sistema en línea de tamices. El

volumen de solución de dicromato estudiado fue de 300 mL (ver Tabla 4).

Tabla 4. Factores y niveles del diseño factorial 23

Factor Bajo (-1) Alto (+1)

Ph 2 4

Cantidad de adsorbente (g) 1 2

Tamaño de partícula (µm) Menor Mayor

Donde:pH: grado de acidez del medio; Menor: tamaño de partícula entre 150-300 µm ; Mayor: Tamaños de partícula entre 300-600 µm. Bajo (-1): nivel inferior Alto: Nivel superior Fuente: Elaboración propia en Minitab 17

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Cada corrida se llevó a cabo en vasos de 300 mL a temperatura ambiente

en condiciones de agitación constante durante 30 minutos. El proceso

desarrollado en Minitab 17 dio como resultado dieciséis experimentos (Ver

Figura 14) con todas las combinaciones posibles por duplicado cuya

matriz se muestra en la figura 14.

Figura 14. Diseño factorial 23 full con 8 ensayos y 16 por duplicado

Fuente: Minitab 17

Puesto que, los análisis de los experimentos deben realizarse de modo

que, se puedan recolectar datos eficientemente en la Tabla 5 se presenta

la matriz de efectos para el análisis de diseño factorial 23, donde se

observan los ocho experimentos realizados con todas las combinaciones

posibles de los tres factores, cabe destacar que los experimentos fueron

realizados por duplicado.

Tabla 5. Matriz de efectos para el análisis del diseño factorial 23

pH Cantidad de adsorbente (g)

Tamaño de partícula (µm)

2 1 Mayor

2 1 Menor

2 2 Mayor

2 2 Menor

4 1 Mayor

4 1 Menor

4 2 Mayor

4 2 Menor

Dónde: pH: grado de acidez del medio; Menor: tamaño de partícula entre 150-300 µm µm; Mayor: Tamaños de partícula entre 300-600 µm. Fuente: Elaboración propia en Minitab 17

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47

CAPÍTULO IV RESULTADOS

La presente investigación tuvo por finalidad plantear una alternativa de

adsorción de Cr (VI) usando como adsorbente al epicarpio vitis vinifera

L. de para lo cual en primer lugar se realizó un diseño factorial 23 siendo

los factores evaluados el pH, tamaño de partícula y cantidad de

adsorbente, posteriormente con los parámetros óptimos se realizaron los

estudios cinéticos y los resultados se detallan a continuación.

4.1. Tratamiento del adsorbente

Los residuos industriales de Epicarpio de Vitis vinifera L. luego de ser

lavados y secados en una estufa a una temperatura 40,0 ± 0,5 °C

durante 24 horas fueron tamizados usando tamices Riceli Equipos con

la finalidad clasificar por tamaños de partícula. Optando por usar como

tamaño de partícula menor de 150-300 y mayor de 300-600 µm.

4.2. Línea de calibración por espectrofotometría

La línea de calibración consistió en soluciones patrón con

concentraciones de 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 y 1,0 mg/L de Cr (VI)

a partir de una solución madre de dicromato de potasio equivalente a

una concentración de Cr (VI) de 200 mg/L, dicha curva fue preparada en

fiolas de 10 mL en presencia de 5 mL de NaNO3 0,1 M, 1 mL HCl 0,5 N

y 0,5 mL de DFC 5 mg/mL.

Como resultado de la lectura en el espectrofotómetro a 540 nm de las

soluciones expuestas en el párrafo anterior se obtienen los datos

presentados en la Tabla 6 donde se observan las absorbancias a las

concentraciones expuestas, así como el promedio, desviación estándar

y desviación estándar relativa (DSR) y se nota que las DSR por punto no

supera el 2,0 % (Límite máximo establecido por la USP) por lo que se

concluye que existe precisión en las mediciones realizadas en cada

punto los datos de la curva de calibración.

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Tabla 6. Lectura y análisis estadístico del análisis por espectrofotometría

Cr 6+ (mg/L) Absorbancia �̅�𝑏 s DSR %

0,3 0,195 0,196 0,189 0,193 0,004 1,96

0,4 0,245 0,246 0,243 0,245 0,002 0,62

0,5 0,310 0,310 0,310 0,310 0,000 0,00

0,6 0,373 0,374 0,377 0,375 0,002 0,56

0,7 0,424 0,416 0,416 0,419 0,005 1,10

0,8 0,496 0,503 0,495 0,498 0,004 0,88

0,9 0,560 0,561 0,554 0,558 0,004 0,68

1,0 0,621 0,617 0,620 0,619 0,002 0,34

*Donde: Cr (VI) (mg/L) = Concentración de cromo hexavalente (VI);�̅�𝑏 = Promedio de absorbancias; s=Desviación estándar y DSR = Desviación estándar relativa. Fuente: Elaboración propia en Excel 2016

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Luego, en la Figura 15 se muestra el resultado de graficar la concentración

y la respuesta del método (absorbancia promedio) presentadas en la Tabla

6 donde se observa una tendencia lineal entre la variable x y su respuesta

y.

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.2

0.4

0.6

Abso

rban

cia

Concentración Cr (VI) (mg/L)

y = 0.6141 x + 0.003

R2 = 0.9982

Figura 15. Curva o Gráfico de Calibración entre la concentración de Cr (VI)

y las absorbancias promedio

Fuente: OriginPro 9.0 4.3. Linealidad del método de determinación de Cr (VI) por

espectrofotometría En la Figura 15 se observa la ecuación de la recta siendo el intercepto “a”

de 0,003, una pendiente “b” de 0,6141 y un coeficiente de correlación

lineal “R2” de 0,9982.

Reemplazando los valores de intercepto y pendiente la ecuación es:

𝑦𝑦 = 0,6141𝑏𝑏 + 0,003 (Ec. 11)

Además, y el valor del coeficiente correlación lineal R2 de:

𝑅𝑅2 = 0,9982

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50

La Farmacopea de los Estados Unidos (USP), establece que un método

analítico puede ser considerado lineal solo si, el coeficiente de correlación

o regresión lineal (R2) es mayor a 0,995, analizando los resultados

obtenidos en el presente método el coeficiente R2 es de 0,9982 siendo

este mayor a 0,995, por lo que se puede decir que, entonces existe una

correlación lineal entre las concentraciones de Cr (VI) y sus absorbancias

por espectrofotometría del visible a una longitud de onda de 540 nm.

4.4. Sensibilidad del método para la determinación de Cr (VI) por espectrofotometría

4.4.1. Límites de detección y cuantificación

Para el cálculo de los límites de detección y cuantificación, se halló el valor

de Ybl siendo este de 0,003 (corresponden al intercepto con el eje x del

gráfico de calibración de la Figura 15), por otro lado, el valor de Sbl es de

0,0016, dicho valor es extraído del intercepto con el eje x de la ecuación de

la recta que relaciona la concentración y la desviación estándar (y = 0,0018

x + 0,0016) que muestra a continuación en la Figura 16.

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.000

0.002

0.004

Des

viac

ión

está

ndar

de

abso

rban

cias

Concentración Cr (VI) (mg/L)

y = 0.0018 x + 0.0016

Figura 16. Gráfico de concentración (eje x) y desviación estándar de la

absorbancia (eje y)

Fuente: Elaboración propia

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51

También es importante decir que, el valor de b es de 0,6141 que corresponde

a la pendiente del gráfico de calibración de la Figura 15, finalmente el valor de

n correspondiente a los puntos de calibración es de 8. Como resultado de

reemplazar los datos expuestos en los párrafos precedentes en las

ecuaciones (Ec. 5 y Ec. 6) obtenemos que:

− La mínima cantidad de Cr (VI) que puede detectar el método o límite

de detección es de 0,013 mg/L.

− La mínima cantidad de Cr (VI) que puede cuantificar el método o límite

de cuantificación es de 0,031mg/L de cromo (VI).

4.5. Precisión del método para la determinación de Cr (VI) por espectrofotometría

La precisión del método fue determinada en términos de reproducibilidad,

donde, una sola muestra fue determinada seis veces por diferentes

analistas dio como resultado una absorbancia promedio de 0,239; una

desviación estándar de 0,0025 y una desviación estándar relativa (DSR)

de 1,04 % (ver Tabla 7).

Tabla 7. Ensayo de Reproducibilidad (precisión)

N ABSORBANCIA

0,235

2 0,242

3 0,239

4 0,238

5 0,241

6 0,240

�̅�𝑏 0,239

S 0,0025

CV % 1.04

Dónde: �̅�𝑏= Promedio de absorbancias; s=Desviación estándar y CV%= Coeficiente de variación o Desviación estándar relativa. Fuente: Elaboración propia en Excel 2016.

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52

Según la USP, un método es considerado preciso cuando la DSR es

menor al 2,0 %. Considerando lo anterior, en la presente se obtuvo una

DSR de 1,04 %, interpretándose que, el método es preciso.

4.6. Diseño factorial

Como resultado de desarrollar los 16 experimentos planteados en el

diseño factorial 23 expuestos en la Tabla 4, en la Tabla 8 se muestran los

porcentajes de adsorción a cada combinación realizada.

Tabla 8. Diseño Factorial

Ensayo pH Cantidad de adsorbente

Tamaño de

partícula Porcentaje de

adsorción

1 2 1 Mayor 91,57

2 2 1 Mayor 91,69

3 2 2 Mayor 98,78

4 4 1 Mayor 9,24

5 4 2 Menor 9,24

6 2 2 Menor 99.99

7 2 1 Menor 99.99

8 2 2 Menor 99.99

9 4 1 Mayor 10,27

10 4 2 Mayor 3,78

11 4 1 Menor 6,58

12 4 1 Menor 5,51

13 4 2 Menor 10,27

14 2 1 Menor 99.99

15 2 2 Mayor 98,78

16 4 2 Mayor 4,88

Fuente: Minitab 16

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53

En la Figura 17 se muestra un Cube Plot donde se comparan las medias de

los 16 ensayos desarrollados luego del diseño factorial correspondiente a la

Tabla 8.

Figura 17. Cube Plot de la interacción de pH, Tamaño de Partícula y

Cantidad de adsorbente

Fuente: Elaboración propia en Minitab 17

Por otro lado, el diagrama de Pareto (Figura 18) de los resultados obtenidos

muestra un Valor F de 2,3 donde se codificaron como A al pH, B a la cantidad

de adsorbente y C al tamaño de partícula donde se observa que en primer

lugar el factor de mayor influencia en el proceso de adsorción es el pH y la

combinación BC no afecta el proceso de adsorción, por otro lado, las demás

combinaciones como ABC, AB y AC si son relevantes ya que presentan

efecto sobre el proceso de adsorción, sin embargo este efecto no es tan

marcado como el factor pH.

Mayor

Menor

2

1

42

Tamaño de partícula

Candidad de adsorbente (g)

pH

4.330

9.75591.630

98.780

9.755

6.045100.000

100.000

Cube Plot

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54

Figura 18. Diagrama de Pareto

Fuente: Minitab 17

Observando la Figura 19 se puede notar que los datos obtenidos en la

presente tesis cumplen con una distribución normal ya que se observa que los

datos se encuentran homogéneamente distribuidos con respecto a la línea.

Figura 19. Distribución normal

Fuente: Minitab 17

Term

BC

B

AC

AB

C

ABC

A

350300250200150100500

A pHB Candidad de adsorbente (g)C Tamaño de partícula

Factor Name

Standardized Effect

2.3

Pareto Chart of the Standardized Effects

1.00.50.0-0.5-1.0

99

95

90

80

7060504030

20

10

5

1

Residual

Perc

ent

Normal Probability Plot(response is Porcentaje de Adsorción)

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55

4.6.1. Efecto del pH y cantidad de adsorbente frente al porcentaje de adsorción de Cr (VI)

En la Figura 20, se observa que:

1) En la interacción de pH = 2 y cantidad de adsorbente de 1 y 2 g el

porcentaje de adsorción es del 99.99 % y no existe una diferencia

marcada en cuanto a la cantidad de adsorbente.

2) En la interacción de pH = 4 y una cantidad de adsorbente de 1 y 2 g el

porcentaje de adsorción es menor del 10 % y no existe una diferencia

marcada en cuanto a la cantidad de adsorbente.

3) En conclusión, la cantidad de adsorbente no es un factor importante en

cuanto a la capacidad de adsorción que posee el, sin embargo, el pH

resulta ser determinante en el proceso de adsorción al lograr una

remoción del 99.99 %. a pH=2 y cuando el pH es 4 la adsorción disminuye

por debajo del 10 % a las condiciones estudiadas.

Figura 20. Interacción del pH y cantidad de adsorbente frente al Porcentaje

de adsorción.

Fuente: Minitab 17

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56

En la Figura 21, se observa la interacción 3D para un mejor análisis de los

resultados donde se nota que a medida que el pH disminuye los porcentajes

de adsorción se incrementan a medida que este último disminuye de 4 a 2.

Figura 21. Interacción 3D del pH y cantidad de adsorbente frente al

Porcentaje de adsorción.

Fuente: Minitab 17

4.6.2. Efecto del pH y el tamaño de partícula frente al porcentaje de adsorción de Cr (VI)

En la Figura 22, se observa que:

1) Al igual que el apartado 4.6.1. se muestra que a medida que el pH

disminuye el porcentaje de adsorción se incrementa

considerablemente.

2) Cuando se disminuye el tamaño de partícula la adsorción es del 99.99

%. sin embargo, cuando se aumenta el porcentaje de adsorción

disminuye a aproximadamente un 90 %.

3) El aumento del porcentaje de adsorción a medida que el tamaño de

partícula disminuye se debería a que a menor tamaño de partícula

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57

existe una mayor superficie de contacto por lo cual la interacción entre

el cromo hexavalente y el adsorbente es mayor lo cual se potencia

con la disminución del pH.

Figura 22. Interacción del pH y tamaño de partícula frente al

Porcentaje de adsorción.

Fuente: Minitab 17

4.6.3. Efecto de la cantidad de adsorbente y el tamaño de partícula frente al

porcentaje de adsorción de Cr (VI)

En la Figura 23, se observa que:

1) La interacción entre el tamaño de partícula y la cantidad de adsorbente

no presenta un efecto determinante en el porcentaje de adsorción

2) El tamaño de partícula menor brinda al proceso una mejor adsorción

ya que a menor tamaño de partícula el porcentaje de adsorción es

superior a un tamaño de partícula mayor.

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58

Figura 23. Interacción de la cantidad de adsorbente y tamaño de

partícula frente al Porcentaje de adsorción

Fuente: Minitab 17

4.6.4. Optimización del proceso de adsorción

Interpretando la Figura 24, proporcionada por el optimizador de Minitab 17

se predice que, la mejor interacción del proceso de adsorción es de pH=2,

cantidad de adsorbente de 1 gramo y con un tamaño de partícula menor (150

a 300 µm) para lograr una adsorción promedio del 99.99 % del cromo (VI)

presente en un volumen de 300 mL de una solución inicial de 200 mg/L según

el diseño factorial 23 desarrollado en el presente trabajo de investigación.

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59

Figura 24. Mejor interacción

Fuente: Minitab 17 (Optimization Factorial Design)

4.7. Porcentaje de remoción de Cr (VI) en función del tiempo

El porcentaje de remoción de Cr (VI) en función del tiempo de contacto del

adsorbente (Epicarpio de Vitis vinifera L.), se determinó adicionando en un

vaso 300 mL de una solución de 172.138 mg/L de Cr (VI) y 1 gramo de

Epicarpio de Vitis vinifera L. con un tamaño de partícula menor de 150 a

300 µm con un pH ajustado a 2, sometidos a agitación en un sistema tipo

Batch. Cabe desatacar que, se tomaron alícuotas de 5 mL de la solución a

tiempos de 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40,50,60,70,80 y 90 minutos para luego

proceder a analizar las muestras por espectrofotometría y los resultados se

presentan en la Tabla 8.

CurHigh

Low

D: 1.000Optimal

Predict

d = 1.0000

MaximumPorcenta

y = 100.0

Menor

Mayor

1.0

2.0

2.0

4.0Candidad Tamaño dpH

[2.0] [1.0] Menor

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Tabla 9. Porcentaje de adsorción

Tiempo (min) Cr (VI) (mg/L) % de Cr (VI) en el

medio % de adsorción

0 172,138 100,00 0,00

1 138,383 80,39 19,61

2 119,791 69,59 30,41

3 72,382 42,05 57,95

4 60,416 35,10 64,90

5 48,097 27,94 72,06

10 33,330 19,36 80,64

15 31,567 18,34 81,66

20 25,023 14,54 85,46

30 14,701 8,54 91,46

40 1,251 0,73 99,27

50 0,668 0,39 99,61

60 3,706 2,15 97,85

70 0,060 0,04 99,96

80 0,061 0,04 99,96

90 0,060 0,04 99,96 Fuente. Elaboración propia

Observando la Tabla 9 y Figura 25, se puede deducir que los 5 minutos

iniciales la absorción es rápida, mientras que, a partir de los 40 minutos en

adelante se hace constante.

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0 50 100

0

20

40

60

80

100

Rem

oció

n (%

)

Tiempo (min)

Figura 25. Porcentaje de remoción de Cr (VI) respecto al tiempo Fuente: Elaboración propia en Excel 2016

4.8. Evaluación de la cinética de adsorción

4.8.1. Modelo matemático de primer orden

La cinética de adsorción de Cr (VI) fue evaluada en primer lugar con el

modelo matemático de primer orden planteado por Marquardt-Levenberg,

con la aplicación Solver de Excel 2016. Dicho modelo, permitió hallar los

parámetros q_1 y k_1 que refieren la cantidad de sustancia adsorbida y la

constante de remoción respectivamente.

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𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶0

= 1 −𝑚𝑚𝑞𝑞_1𝐶𝐶0𝑉𝑉

[1 − 𝑒𝑒−𝑘𝑘_1𝑡𝑡] (Ec. 12)

Donde:

Ct: Concentración de Cr6+ a cualquier tiempo de estudio (mg/L) C0: Concentración inicial de Cr6+ (mg/L) q_1: Cantidad de sustancia adsorbida en el equilibrio (mg de Cr6+/g) k_1: Constante de adsorción de primer orden (min-1) V: Volumen (L) m: Cantidad de adsorbente (g) t: tiempo de contacto (min) Los resultados de la comparación de Ct/Co y el Modelo matemático de

primer orden se observan en la Tabla10, donde se ve que se hace constante

a los 40 minutos.

Tabla 10. Modelo matemático de primer orden

N Tiempo (min)

Volumen (mL) Cr (mg/L) Ct/Co MODELO

1 0 0,300 172,138 1,0000000 1,00000

2 1 0,295 138,383 0,8039082 0,77350

3 2 0,290 119,791 0,6958985 0,60538

4 3 0,285 72,382 0,4204904 0,47935

5 4 0,280 60,416 0,3509756 0,38365

6 5 0,275 48,097 0,2794083 0,30973

7 10 0,270 33,330 0,1936225 0,16762

8 15 0,265 31,567 0,1833800 0,12768

9 20 0,260 25,023 0,1453646 0,10636

10 30 0,255 14,701 0,0854018 0,08783

11 40 0,250 1,251 0,0072682 0,06955

12 50 0,245 0,668 0,0038801 0,05056

13 60 0,240 3,706 0,0215289 0,03078

14 70 0,235 0,060 0,0003510 0,01016

15 80 0,230 0,061 0,0003545 -0,01136

16 90 0,225 0,060 0,0003510 -0,03383 Fuente: Elaboración propia usando Solver Excel 2016

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63

Con la aplicación de dicho modelo, la cantidad absorbida q_1 (mg/g) o

capacidad de remoción por el en el equilibrio, fue de 40,041 mg de Cr VI por

cada gramo de adsorbente.

Por otro lado, en la Figura 26 se observa el ajuste del gráfico de la relación

entre Ct/C0 y el modelo matemático empleado dando por respuesta un

coeficiente R2 es de 0.9822.

Figura 26. Cinética de adsorción de Cr (VI) a una concentración de 172,128 mg/L.

Fuente: Solver Excel 2016

4.9. Cinética de segundo orden

En segundo lugar, la evaluación de la cinética de adsorción de Cr (VI) usando

el modelo matemático de segundo orden de Marquardt-Levenberg, dieron

por resultado los valores de los parámetros q_2 y k_2 siendo la cantidad de

sustancia adsorbida y la constante de adsorción respectivamente, dicha

ecuación se muestra a continuación:

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

Ct/C

o

Concentración Cr (VI) (mg/L)

Ct/Co

MODELO

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𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶0

= 1 −𝑚𝑚𝑞𝑞_2𝐶𝐶0𝑉𝑉

�1 −1

𝛽𝛽2 + 𝑘𝑘_2𝑡𝑡�

(Ec. 13)

Donde:

Ct: Concentración de Cr6+ a cualquier tiempo de estudio (mg/L)

C0: Concentración inicial de Cr6+ (mg/L)

q_2: Cantidad de sustancia adsorbida en el equilibrio (mg de Cr6+/g)

k_2: Constante de adsorción de segundo orden (min-1)

β2: Constante

V: Volumen (L)

m: Cantidad de adsorbente (g)

t: tiempo de contacto (min)

Como resultado de, analizar las absorbancias en el espectrofotómetro, y de

realizar cálculos los resultados usando el modelo matemático de segundo

orden se muestran en la Tabla 11.

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Tabla 11. Modelo matemático de segundo orden

N Tiempo (min)

Volumen (mL) Cr (mg/L) Ct/Co

MODELO

1 0 0,300 172,138 1,0000000 1,0386

2 1 0,295 138,383 0,8039082 0,7287

3 2 0,290 119,791 0,6958985 0,5741

4 3 0,285 72,382 0,4204904 0,4776

5 4 0,280 60,416 0,3509756 0,4088

6 5 0,275 48,097 0,2794083 0,3553

7 10 0,270 33,330 0,1936225 0,2364

8 15 0,265 31,567 0,1833800 0,1778

9 20 0,260 25,023 0,1453646 0,1376

10 30 0,255 14,701 0,0854018 0,0944

11 40 0,250 1,251 0,0072682 0,0623

12 50 0,245 0,668 0,0038801 0,0345

13 60 0,240 3,706 0,0215289 0,0083

14 70 0,235 0,060 0,0003510 -0,0173

15 80 0,230 0,061 0,0003545 -0,0428

16 90 0,225 0,060 0,0003510 -0,0687 Fuente: Solver Excel 2016 Por lo expuesto, la cantidad absorbida q_2 (mg/g) o capacidad de adsorción

por el en el equilibrio, fue de 42,265 mg de Cr (VI) por cada gramo de

adsorbente.

Por otro lado, en la Figura 27 se observa el ajuste del gráfico de la relación

entre Ct/C0 y el modelo matemático empleado da como resultado un

coeficiente R2 es de 0,9686.

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66

Figura 27. Cinética de adsorción de Cr (VI) a una concentración de 100 mg/L.

Fuente: Solver Excel 2016

En resumen, la Tabla 10 presenta los resultados luego del análisis de los datos

comparados con los modelos matemáticos expuestos. El resultado del

coeficiente R2 que más se acerca a la unidad es del Modelo Matemático de

Primer Orden con un valor de 0,9822, lo cual significa que, el proceso de

adsorción sigue un modelo matemático de primer orden con una cantidad de

40,04 mg de cromo hexavalente adsorbidos por gramo de Epicarpio de Vitis

vinifera L., de tamaño con partícula entre 150 a 300 µm en el equilibrio.

Tabla 12. Comparación de R2 de los modelos matemáticos

Cr+6 (mg/L)

Parámetros

Modelo Primer Orden Modelo Segundo Orden

q_1 (mg/g)

K_1 (min-) R2 q_2

(mg/g) K_2

(min-) R2

172,138 40,041 0,339 0,9822 42,265 0,529 0,9686.

Fuente: Elaboración propia

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 20 40 60 80 100

Ct/C

0

Concentración Cr (VI) (mg/L)

Ct/Co MODELO

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5. Velocidad de adsorción

Otro punto importante fue, evaluar la velocidad de adsorción, lo cual pudo ser

posible, hallando la cantidad en mg de Cr (VI) adsorbidos por cada gramo de

Epicarpio de Vitis vinifera L. en cada tiempo, dando como resultado los valores

de la Tabla 13.

Tabla 13. Cantidad en mg de Cr (VI) en función del tiempo Tiempo

(min) Cr 6+ (mg/L) mg (Cr en el vaso) q

0 172,138 51,641 0,000 1 138,383 41,515 10,126 2 119,791 35,937 15,704 3 72,382 21,715 29,927 4 60,416 18,125 33,517 5 48,097 14,429 37,212

10 33,330 9,999 41,643 15 31,567 9,470 42,171 20 25,023 7,507 44,135 30 14,701 4,410 47,231 40 1,251 0,375 51,266 50 0,668 0,200 51,441 60 3,706 1,112 50,530 70 0,060 0,018 51,623 80 0,061 0,018 51,623 90 0,060 0,018 51,623

*Donde: q: [mg Cr (VI) Adsorbidos/g de Fuente: Elaboración propia

Luego, se procedió a determinar el modelo cinético de remoción, esto fue

posible, sometiendo los datos obtenidos a diversos modelos matemáticos

presente en el software OriginPro 9.0, dando así, un mejor ajuste con el

modelo matemático exponencial de decaimiento de tipo 1, ya que su R2 es de

0,9822, así pues, el modelo se muestra a continuación:

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𝑦𝑦 = 𝑌𝑌0 + 𝐴𝐴1 ∗ 𝑒𝑒�−𝑥𝑥

𝑡𝑡1� + 𝐴𝐴2 ∗ 𝑒𝑒�−𝑥𝑥

𝑡𝑡2� (Ec. 14)

Dónde: − Y: Es la cantidad (ppm) Cr adsorbido en un tiempo (x).

− Y0: Es la concentración inicial del contaminante en el tiempo cero.

− A1: Es la cantidad de cromo que han sido adsorbidas en una fase 1.

− A2: Es la cantidad de cromo que han sido adsorbidas en una fase 2.

− -1/t1 y -1/t2: son constantes de velocidad (min-1) para una fase 1 y una

Fase 2.

− x: Representa la cantidad (mg) de cromo removido en un determinado

tiempo.

Como resultado de, graficar el comportamiento de los datos con el ajuste del

modelo matemático hallado se obtiene la Figura 28 donde se observa el

ajuste total de los datos a dicho modelo.

0 50 100

0

10

20

30

40

50

60

q (m

g de

Cr (

VI)

adso

rbid

o)

Tiempo (min)

Figura 28. Ajuste de datos con el modelo matemático exponencial de decaimiento 1 según OriginPro 9.0

Fuente: Elaboración propia en OriginPro 9.0

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69

Usando OriginPro 9.0, se lograron obtener los valores de cada variable de la

ecuación 14 (Ec.14), así pues, los valores se muestran en la Tabla 14.

Tabla 14. Valores de las variables obtenidas en el modelo matemático exponencial de decaimiento 1 según OriginPro 9.0

q (mg de Cr (VI) adsorbido/g biomasa) y0 53,05097

A1 -40,69534

t1 2,63319

A2 -14,10953

t2 31,29421

K1 0,37977 K2 0,03195

Fuente: Elaboración propia en OriginPro 9.0

Con fin de, hallar la ecuación que describa la velocidad de adsorción, se

procedió a reemplazar los datos de la Tabla 14 en la ecuación usando el

software Wolfram Mathematica 10.0 dando como resultado la ecuación

siguiente:

𝐷𝐷[𝑡𝑡] = 53,05097 − 40,69534𝑒𝑒−0,379768𝑡𝑡 − 14,10953𝑒𝑒−0,0319548𝑡𝑡

(Ec. 15)

Luego, aplicando a la ecuación precedente, la primera derivada usando el

software Wolfram Mathematica 10.0 se obtiene la ecuación que describe la

velocidad del proceso de adsorción (Ec. 16).

𝐷𝐷′[𝑡𝑡] = 15,4548𝑒𝑒−0,379768𝑡𝑡 + 0,450867𝑒𝑒−0,0319548𝑡𝑡 (Ec. 16)

Como resultado de, aplicar el modelo matemático usando Wolfram

Mathematica 10.0 se puede obtener las velocidades de adsorción de Cr (VI)

a cada tiempo las cuales se pueden observar en la Tabla 15.

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Tabla 15. Velocidad de reacción

Tiempo (min) q Velocidad q/min

0 0,000 15,905667 1 10,126 11,00808098 2 15,704 7,653999256 3 29,927 5,355832353 4 33,517 3,780055287 5 37,212 2,698526407

10 41,643 0,674083498 15 42,171 0,331069726 20 44,135 0,245724114 30 47,231 0,173042249 40 51,266 0,125588602 50 51,441 0,091234522 60 50,530 0,06627975 70 51,623 0,048150735 80 51,623 0.034980417 90 51,623 0.02541248

*Donde: q: [mg Cr (VI) Adsorbidos/g de Fuente: Elaboración propia en Excel 2016 y Wolfram Mathematica 10.0.

Para interpretar mejor lo datos de la Tabla 15, se procedió a graficar (Figura

28) usando Orgigin Pro 9.0, donde nos da un valor de k que es la constante

en la cual, la velocidad se hace constante siendo esta de 0,3798 min-1 y la

concentración en el equilibrio es de 40,695 mg Cr (VI) por gramo de epicarpio

Vitis Vinifera L. Cabe mencionar que, el valor hallado es similar al

proporcionado por el modelo matemático de primer orden ya que su constante

de adsorción fue de 0.339min-1 y una cantidad de 40,04mg Cr (VI) por gramo

de adsorbente.

Es necesario hacer notar que el proceso de adsorción se ve descrito mejor

por el modelo matemático de primer orden que el de segundo orden y el

modelo matemático exponencial de decaimiento tipo 2.

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0 50 100-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Vel

ocid

ad (q

/min

)

Tiempo (min)

Figura 29. Velocidad de adsorción

Fuente. Elaboración propia

6. Análisis FTIR

El análisis por espectroscopia IR, donde se usaron 20 gramos de muestra

vegetal (Epicarpio de Vitis vinifera L.), cabe destacar que, las muestras fueron

secadas a temperatura ambiente para luego disminuir su tamaño de partícula

triturándolas, en dichas condiciones recién fueron analizadas por

espectrofotometría IR.

6.1. Análisis IR antes del proceso de adsorción

Con resultado de, observar Figura 30, se puede notar que, el espectro IR de

la muestra biológica da un pico de 1600 a 3600 cm-1, donde en el rango de

3300 a 3400 cm-1 hay presencia de hidroxilo –OH, así mismo podría haber

grupos aminas y se encuentran escondidos por el –OH, por otro lado, a 2900

cm-1 presencia de alcanos, finalmente en 1600 cm-1 se observa un pico

correspondiente a un carbonilo >C=O pudiendo existir también grupos

carboxilo -COOH. (52)

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Figura 30. Espectro IR del Epicarpio de Vitis vinifera L. Fuente: (Muestra -- Biblioteca)

6.2. Análisis IR después del proceso de adsorción

Se presentan picos poco diferenciados en el espectro de la Figura 30, es así

que, Araujo (52) y Acosta et. al. (55) indican que la aparición de picos en esas

regiones es por la presencia de grupos funcionales ya que el Epicarpio de

Vitis vinifera L.es un compuesto de varias sustancias químicas y esas

sustancias químicas son los que tienen grupos funcionales hidroxilo –OH,

alcano, grupo amina, carbonilos >C=O.

Comparando la Figura 30, y la Figura 31 se observa que hay un pico más

ancho en la segunda figura, lo cual indicaría la presencia de hidroxilo –OH

en el rango 3300 a 3400 cm-1, así mismo podría haber grupos aminas que

están escondidos por el hidroxilo, por otro lado en el rango de 2900 cm- 1 se

observa picos muy diferenciados lo cual indica la presencia de alcanos y esto

se debe por compuestos del como proteínas y sustancias orgánica,

finalmente en 1600 cm- se observa un pico correspondiente a un carbonilo

>C=O.

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Figura 31. Espectro IR del Epicarpio de Vitis vinifera L. después de la

adsorción (-- Muestra; -- Biblioteca) 6.3. Posibles Propuesta de Interacción del adsorbato (cromo (VI) y adsorbente

El espectro IR después del proceso de adsorción, presenta picos desde 1600 a

3600 cm-1, lo que podría explicarse la presencia de (-OH) en un pico 3300 cm-1

- 3400 cm-1, donde al disminuir el pH el Cr (VI) se encuentra como dicromato

(Cr2O72-) y el grupo hidroxilo -OH tiende a protonarse formando -OH2+

produciéndose así la adsorción electrostática, (52) dipolo- dipolo esto se debe

por la atracción de cargas entre el dicromato y los -OH2+ formados como se

observa en la Figura 31.

OH2

OH2

Cr2O72-

Cr2O72-

Atracción electrostática probable con grupos hidroxilo protonados

OH

OH

pH < 4

Inicial

Figura 32. Interacción electrostática probable entre el dicromato (Cr2O72-) y los -OH2+ formados a pH < 2

Fuente. Elaboración propia

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Por otro lado, presenta un pico en el rango de 1725 cm-1 lo que se deduce la

protonación de los grupos carbonilo, presentes en el Epicarpio de Vitis vinifera

L. también dan lugar a atracciones electrostáticas que conllevan a la adsorción

del anión dicromato

O

O pH < 4

O

O

Cr2O72-

Cr2O72-

H+

H

H

Atracción electrostática probable por la protonación de grupos carbonilo

Inicial

Figura 33. Interacción electrostática probable entre el dicromato (Cr2O72-) y los >C-OH+ formados a pH < 2

Fuente. Elaboración propia

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CAPÍTULO V

DISCUSIÓN

Tejada (53), desarrolló Síntesis por método alternativo "verde" de nanopartículas de

Cu a través de extracto acuoso de subproductos industriales de (Uva) y su

inmovilización en membranas de PVC y determinación de su capacidad para la

adsorción de Cr (VI) donde encuentra que el modelo matemático que se ajusta

mejor al proceso de adsorción es un modelo cinético de primer orden, sin embargo

en la presente investigación se busca evaluar la capacidad de remoción de Cr (VI)

usando directamente como subproducto industrial al en medios acuosos.

Araujo (49), en su estudio usó el método espectrofotométrico con Difenilcarbazida

que resultó ser lineal con un coeficiente R2 de 0,9995, preciso con desviación

estándar relativa de 0,75 % con un límite de detección de 0,0037 mg/L y un límite

de cuantificación de 0,0191 mg/L. En la presente investigación se obtuvo un método

lineal con un coeficiente de regresión R2 de 0,9982, preciso con una desviación

estándar relativa DSR de 1,04 % con límites de detección y cuantificación de 0,013

y 0,031mg/L respectivamente por lo expuesto en comparación con el estudio de

Araujo ambos métodos cumplen con las normas internacionales establecidas por

la USP que indica que el R2 debe ser mayor a 0.995 y cercano a uno y en cuando

a la precisión esta debe ser menor al 2 %.

En cuanto al diseño factorial Araujo (49), encontró como mejor interacción del

proceso de adsorción de cromo con Raspo de uva a pH=2, cantidad de adsorbente

de 1 gramo y con un tamaño de partícula menor (150 a 425 µm) para lograr una

adsorción promedio del 99,95 % de raspo de uva. En la presente investigación la

mejor interacción del proceso de adsorción de Cr (VI) usando para lograr un

porcentaje de adsorción de 99.99 % a agitación constante es a un pH=2, cantidad

de adsorbente de 1 gramo y con un tamaño de partícula menor (150 a 300 µm). La

interacción en el caso de Araujo dio como resultado que todos los factores

presentan influencia en el proceso de remoción sin embargo en la presente

investigación solamente el pH es el factor determinante en el proceso de remoción

con Epicarpio de Vitis vinifera L.

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Con respecto al estudio cinético Araujo (49), se encontró que, el modelo matemático

de segundo orden describe mejor el proceso de adsorción de Cr (VI) en raspo de

uva con un R2 de 0,9913, calculándose así que, la cantidad de Cr (VI) adsorbida

por gramo de biomasa de raspo de uva “q_2” es de 6,55 mg/g. En la presente tesis

el proceso de adsorción de Cr (VI) se ajusta mejor a una cinética de primer orden

con un coeficiente R2 resultante de 0,9822 mayor que al modelo de segundo orden

(R2 = 0,9686) siendo la cantidad de Cr (VI) adsorbida en el equilibrio de 40,04 mg

por gramo de adsorbente en cambio Araujo obtuvo una cantidad de Cr (VI) en el

equilibrio de aproximadamente de 7 mg/g de Raspo de uva, siendo el epicarpio

claramente superior al raspo. En otro estudio realizado por Giménez et al. (54), la

cantidad de cadmio y plomo adsorbidos fue de 40,55 y 132,8 mg/g de carbón

activado de escobajo de uva.

Giménez et al. (54), realizaron estudios con la finalidad de evaluar la capacidad de

remoción de plomo y cadmio, por carbones activados obtenidos a partir de

“escobajo de uva”, residuo de la industria vitivinícola, en cuyos espectros luego del

análisis FTIR muestra que los picos que aparecen en el rango entre 900 y 1500 cm-

1 se atribuyen a enlaces de tensión de grupos lactónicos, éteres y fenólicos, a

vibraciones de tensión de C-O y a vibraciones de estiramiento de C=O de grupos

COOH. A 1620 cm-1 a enlaces C=O de carboxilos y alrededor de 3400 cm-1 se

adjudica a los restos de agua en el material.

Por otro lado, otros estudios en FTIR de uva realizados por Szymanskaet al. (55) y

Agatonovicet al. (56) muestran que se pueden observar bandas características de

otros compuestos usuales en este tipo de tejidos como pectina, celulosa,

hemicelulosa, azúcares entre otros.

Es así que en otro análisis FTIR de residuos de uva realizado por Segura et al. (57),

reporta la presencia de compuestos polifenólicos se puede evidenciar en la zona

de huella dactilar, como la banda en 1382 cm-1 característica de la deformación en

el plano del enlace O-H de polifenoles, y la banda en 1250 cm-1 característica de

los flavonoles, además la presencia de esta familia de compuestos de evidencia

por bandas características de los ácidos gálico y tánico en 700, 1025, 1100 and

1625 cm-1. En la presente tesis el análisis por espectroscopia FTIR del adsorbato ()

revela presencia de gruposcarbonilo >C=O,hidroxilo -OH, ácido carboxílico -COOH

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así como cadena de alcanos, amidas y el análisis luego del proceso de adsorción

de cromo en el adsorbato presentó vibraciones en el espectro IR a los

3300,2900.1725 cm-1 característico de adsorción electrostática (Figura 30).

Un estudio similar realizado por Araujo (49), indica que la probable interacción se

debe a la protonación de grupos del polisacárido presente en el raspo de uva

estudiado, donde se observa la unión del adsorbato (Cr2O7-2) y el adsorbente

(polisacárido del Raspo de uva) mediante atracciones electrostáticas. En

conclusión, en la presente investigación las atracciones electrostáticas presentadas

en la Figura 31 y 32 describirían la adsorción del dicromato en el epicarpio de Vitis

vinifera L, lo cual fundamenta la alta capacidad de adsorción que posee ya que

estos grupos funcionales están presentes en diversas moléculas presentes en la

composición del epicarpio que fueron identificadas como pectina, celulosa,

hemicelulosa, azúcares entre otros compuestos fenólicos.

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CONCLUSIONES

PRIMERA: El método espectrofométrico del visible para la cuantificación de Cr

(VI) a 540 nm es lineal con un coeficiente de regresión R2 de 0,9982,

preciso con una desviación estándar relativa DSR de 1,04 %.

Finalmente, presenta límites de detección y cuantificación de 0,013 y

0,031mg/L respectivamente.

SEGUNDA: La mejor interacción del proceso de adsorción de Cr (VI) usando

epicarpio de Vitis vinifera L. para lograr un porcentaje de adsorción de

99.9995 % a agitación constante (200 rpm) es en un medio ajustado

a pH=2, cantidad de adsorbente de 1 gramo y con un tamaño de

partícula menor (150 a 300 µm).

TERCERA: La cinética que mejor se ajusta y describe el proceso de adsorción de

cromo (VI) en epicarpio de Vitis vinifera L, es la cinética de primer

orden con un coeficiente R2 resultante de 0,9822 mayor que al modelo

de segundo orden (R2= 0,9686) siendo la cantidad de Cr (VI)

adsorbida en el equilibrio de 40,04 mg por gramo de adsorbente.

CUARTA: El modelo matemático de la velocidad corresponde a la primera

derivada del modelo matemático exponencial de decaimiento tipo 2 el

cual determina que la velocidad de adsorción hallando “k” fue de

0,3798 min-1 que indica los mg de Cr (VI) adsorbidos por minuto, cuyo

valor fue aproximado al proporcionado por el modelo matemático de

primer orden ya que su constante de adsorción “K_2” fue de 0,339 min-1

QUINTA: El análisis por espectroscopia FTIR del adsorbato () antes de

desarrollar el experimento dio por resultado presencia de grupos

carbonilo >C=O, hidroxilo -OH, ácido carboxílico -COOH así como

cadena de alcanos y el análisis luego del proceso de adsorción de

cromo en el adsorbato dio produce vibraciones en el espectro IR a los

entre 1600 a 3300 cm.-1

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RECOMENDACIONES

PRIMERA: Realizar estudios de adsorción con metales pesados como cadmio,

plomo, mercurio, arsénico, entre otros.

SEGUNDA: Realizar estudios a diferentes temperaturas.

TERCERA: Realizar estudios de desorción de cromo hexavalente del adsorbente

estudiado.

CUARTA: Escalar el presente trabajo a efluentes de industrias del curtido.

QUINTA: Realizar estudio con mayor concentración de cromo hexavalente.

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ANEXOS

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Anexo 1: Efluentes de curtiembres del Parque industrial Cerro Colorado –Arequipa

Fuente: Elaboración propia

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Anexo 2: Inundación de efluentes de curtiembre a zonas aledañas a la laguna de oxidación de rio seco- Arequipa

Fuente: Elaboración propia

Anexo 3: Uva tipo tempranillo para la obtención del vino seguidamente el epicarpio de Vitis vinifera L.

Fuente: Elaboración propia

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Anexo 4: Cosecha de la uva tipo tempranillo para la obtención del vino seguidamente de la poda.

Fuente: Elaboración propia

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Anexo 5: Extracción del vino, el mosto se usa para la adsorción de cromo

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Anexo 6: Desecho de la uva, que fue usado como adsorbente de cromo hexavalente.

Fuente: Elaboración propia

Anexo 7: Sistema de adsorción tipo Batch

Fuente: Elaboración propia

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Anexo 8: Ensayos de cinética y diseño factorial

Fuente: Elaboración propia

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Anexo 9: Modelamiento matemático de primero orden

N° Tiempo (min) Volumen (L) Cr (mg/L) Ct/Co MODELO SSR

1 0 0,300 172,138 1,0000000 1,00000 0

2 1 0,295 138,383 0,8039082 0,77350 0,0009245

3 2 0,290 119,791 0,6958985 0,60538 0,00819415

4 3 0,285 72,382 0,4204904 0,47935 0,00346459

5 4 0,280 60,416 0,3509756 0,38365 0,00106742 6 5 0,275 48,097 0,2794083 0,30973 0,00091964 7 10 0,270 33,330 0,1936225 0,16762 0,00067589 8 15 0,265 31,567 0,1833800 0,12768 0,0031024 9 20 0,260 25,023 0,1453646 0,10636 0,00152128

10 30 0,255 14,701 0,0854018 0,08783 5,8934E-06 11 40 0,250 1,251 0,0072682 0,06955 0,00387917 12 50 0,245 0,668 0,0038801 0,05056 0,00217913 13 60 0,240 3,706 0,0215289 0,03078 8,5606E-05 14 70 0,235 0,060 0,0003510 0,01016 9,6209E-05 15 80 0,230 0,061 0,0003545 -0,01136 0,0001372 16 90 0,225 0,060 0,0003510 -0,03383 0,00116857

0,02742164 q_1 40,0415034 k_1 0,33861719

R² = 0,822

-0.20000

0.00000

0.20000

0.40000

0.60000

0.80000

1.00000

1.20000

0.0000000 0.2000000 0.4000000 0.6000000 0.8000000 1.0000000 1.2000000

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Anexo 10: Modelamiento matemático de segundo orden

N° Tiempo (min) Volumen (L) Cr (mg/L) Ct/Co MODELO SSR

1 0 0,300 172,138 1,0000000 1,0386 0,0015 2 1 0,295 138,383 0,8039082 0,7287 0,0057 3 2 0,290 119,791 0,6958985 0,5741 0,0148 4 3 0,285 72,382 0,4204904 0,4776 0,0033 5 4 0,280 60,416 0,3509756 0,4088 0,0033 6 5 0,275 48,097 0,2794083 0,3553 0,0058 7 10 0,270 33,330 0,1936225 0,2364 0,0018 8 15 0,265 31,567 0,1833800 0,1778 0,0000 9 20 0,260 25,023 0,1453646 0,1376 0,0001

10 30 0,255 14,701 0,0854018 0,0944 0,0001 11 40 0,250 1,251 0,0072682 0,0623 0,0030 12 50 0,245 0,668 0,0038801 0,0345 0,0009 13 60 0,240 3,706 0,0215289 0,0083 0,0002 14 70 0,235 0,060 0,0003510 -0,0173 0,0003 15 80 0,230 0,061 0,0003545 -0,0428 0,0019 16 90 0,225 0,060 0,0003510 -0,0687 0,0048

0,0474

q_2 42,264 k_2 0,529 B 0,955

R² = 0,9686

-0.2000

0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

0.8000

1.0000

1.2000

0.0000000 0.2000000 0.4000000 0.6000000 0.8000000 1.0000000 1.2000000

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Anexo 11: Modelamiento matemático

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