martes, 24 de abril de 2012

Propiedades Adsorbentes de los Residuos de la Industria Vitivinícola y su Aplicación en Procesos de Descontaminación de Aguas


PROPIEDADES ADSORBENTES DE LOS RESIDUOS DE LA INDUSTRIA VITIVINÍCOLA Y SU APLICACIÓN EN PROCESOS DE DESCONTAMINACIÓN DE AGUAS

Fuente: Leticia Carro, Marta López-García, Cristina Suárez, Pablo Lodeiro, José L. Barriada, Teresa Vilariño, Pilar Rodríguez, Roberto Herrero, Manuel E. Sastre de Vicente

Departamento de Química Física e Ingeniería Química I, Facultad de Ciencias, Universidad de A Coruña, Alejandro de la Sota 1, 15008, A Coruña, España.

Se realizo un estudio fisicoquímico preliminar de las propiedades adsorbentes de cuatro materiales residuales procedentes de la industria del vino: dos tipos de bagazo, sarmientos y hojas de parra. Las disoluciones utilizadas contenían cantidades variables de dos metales tóxicos: mercurio y cromo, y dos colorantes: azul de metileno y AB25, todas ellas a pH natural. Los resultados de las isotermas así como los datos cinéticos obtenidos muestran una importante capacidad adsorbente por parte de los biomateriales analizados.

INTRODUCCIÓN

Las metodologías comúnmente empleadas en la eliminación de contaminantes en aguas incluyen distintos procedimientos: precipitación química, filtración connb membranas, intercambio iónico, electrolisis, adsorción, etc. Cada uno de ellos presenta distintas ventajas e inconvenientes. Así, por ejemplo, si bien la precipitación constituye el método más utilizado para disminuir la concentración de metales tóxicos en aguas hasta el nivel del producto de solubilidad, éste no se ajusta en muchos casos a los requerimientos de descarga permitidos al tiempo que origina indeseables residuos en forma de lodos.

La adsorción, considerada por la comunidad europea como una técnica MTD (Mejores Técnicas Disponibles), constituye uno de los procesos de separación más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales, siendo los adsorbentes más empleados el gel de sílice, la alúmina y sobre todo el carbón activo. Asimismo, son de uso común diferentes resinas sintéticas; tanto estas últimas como el carbón activo presentan un elevado coste. El carbón activo muestra, además, la desventaja de no ser muy selectivo, así como dificultades en su regeneración vía térmica siendo, este también, un proceso costoso. Los hechos descritos han auspiciado que en los últimos años se desarrollen líneas de investigación orientadas a la búsqueda y caracterización de adsorbentes de bajo coste, entendiendo como tales aquellos materiales que requieren poca transformación, son abundantes en la naturaleza o constituyen subproductos residuales de las industrias.

La bioadsorción se refiere a la captación pasiva, vía interacción fisicoquímica en ausencia de actividad metabólica, de especies químicas por los biopolímeros presentes en la biomasa. El fenómeno de la bioadsorción comenzó a estudiarse de forma intensiva en los ochenta y recibe cada vez mayor atención al plantearse los procesos de eliminación de sustancias tóxicas desde un perspectiva medioambiental no agresiva. Se centra en la utilización de materiales abundantes procedentes de la biomasa natural o residual y por lo tanto baratos en relación al carbón activado o las resinas sintéticas, pero con capacidades de retención de contaminantes iguales o superiores en muchos casos.

OBJETIVOS

El presente trabajo constituye un estudio comparativo de la capacidad adsorbente que muestran cuatro tipo de biomasas procedentes de la industria vitivinícola: dos tipos de bagazo, sarmientos y hojas, hacia tres clases de contaminantes frecuentemente presentes en muchas aguas de proceso: por un lado, dos metales tóxicos tipo (mercurio y cromo) y por otro, dos modelos de colorantes (azul de metileno (MB) y AB25). Asimismo, se analizan brevemente las implicaciones que suponen los resultados obtenidos en procesos de tratamiento de aguas residuales empleando los biomateriales mencionados.

REVISIÓN DE LA LITERATURA

En la actualidad existe un interés creciente en la explotación de los residuos asociados a la industria del vino. De hecho, algunos de los materiales residuales procedentes de esta actividad constituyen una fuente alternativa en la obtención de antioxidantes naturales, los cuales se consideran, en general, más seguros que los sintéticos. Otra aplicación importante la constituye su potencial uso como acondicionadores de suelos o fertilizantes. También existe un claro interés en el estudio fisicoquímico y la caracterización como materiales adsorbentes de bajo coste (bioadsorbentes) de distintos residuos asociados a la industria vitivinícola al objeto de determinar su potencial utilidad en procesos de descontaminación de aguas. Sin embargo, las investigaciones realizadas hasta la fecha en este campo se han centrado fundamentalmente en la adsorción de diferentes metales pesados sobre bagazos de vid. Por ello, se considera necesario ampliar dichos estudios en una doble vertiente: por un lado extender las investigaciones realizadas a todo tipo de residuos ligados a la industria productora de vino desde los estadios iniciales del ciclo productivo; por otro, resulta conveniente ampliar el campo objeto de investigación, no solo a los metales pesados, sino a distintos compuestos orgánicos contaminantes (colorantes, herbicidas…) presentes en la actualidad en muchas aguas contaminadas. De esta forma, se logrará una visión general de la potencial utilidad de la bioadsorción en tratamientos de aguas, empleando para ello residuos de la industria del vino.

La investigación que se describe en el presente trabajo toma como punto de referencia la amplia experiencia del Grupo de Fisicoquímica de Aguas Naturales de la Universidad de A Coruña en el campo de la bioadsorción de contaminantes empleando diferentes tipos de biomasa natural y/o residual, tanto con metales pesados como con diferentes compuestos orgánicos a distintas escalas: desde el laboratorio hasta la planta piloto.

METODOLOGÍA

Los materiales procedentes de residuos de la vid (bagazo1, bagazo 2, sarmientos y hojas) fuerón secados en una estufa a 60ºC, triturados y tamizados, utilizando para los experimentos la fracción de diámetro comprendido entre 0.5 y 1 mm.

Se busco comprobar la capacidad de estos biomateriales, utilizados como adsorbentes para la eliminación de los diferentes contaminantes seleccionados. La capacidad de adsorción de los materiales de la vid se determino realizando un barrido preliminar; el estudio se completó determinando las isotermas de adsorción y la cinética del proceso con uno de los metales y los dos compuestos orgánicos estudiados.

Para el barrido de materiales se prepararon disoluciones de concentración 100 mg/L de Cr (VI) y Hg (II), 50 mg/L de AB25 y 37.5 mg/L de MB. 40 mL de cada una de estas disoluciones se pusieron en contacto con 0.1 g de material. Las mezclas se agitaron a 175 rpm durante 24 h a pH natural.

Con el Hg (II) se determinó la isoterma de adsorción a temperatura ambiente para el bagazo 1. Se seleccionó este material por presentar en el barrido previo
una elevada capacidad de adsorción de mercurio. La isoterma se determinó en un rango de concentraciones iniciales de 50 a 1000 mg/L de Hg (II), poniendo en contacto 40 mL de cada disolución con 0.1 g de bagazo 1, con agitación constante y a pH natural.

Por otro lado se realizó un estudio cinético del proceso de adsorción poniendo, en una celda termostatizada a 25ºC, 0.25 g de biomaterial con 100 mL de disolución de Hg (II). Se tomaron alícuotas de la mezcla a intervalos de tiempo determinados, midiendo en cada caso la concentración de metal en disolución.

Para los dos contaminantes orgánicos se seleccionó el bagazo 2 por haber presentado una mayor capacidad de eliminación en el barrido. Con este material se determinaron las isotermas de adsorción. Se trabajó en un rango de concentraciones iniciales de 20 a 500 mg/L a pH natural. Se completó la experiencia mediante un estudio cinético poniendo en contacto 100 mL de 50 mg/L de AB25 y 37.5 mg/L de azul de metileno con 0.25 g de biomasa. Las concentraciones de los dos metales pesados y de los dos compuestos orgánicos estudiados se determinaron a través de medidas espectrofotométricas.

RESULTADOS

Barrido de materiales:

- Metales pesados: Para los resultados obtenidos con el Hg (II) se puedo observar que todos los materiales alcanzarón porcentajes de eliminación de metal en disolución superiores al 60%. Destacan el bagazo 1 y las hojas que presentan una capacidad cercana al 80%.

Se puedierón comprobar que todos los materiales de la vid presentarón una menor capacidad de eliminación de este metal que de mercurio. El mejor resultado, en este caso, se obtuvo con el bagazo 2. El proceso de eliminación de Cr (VI) en disolución es complejo y no sólo hay que tener en cuenta un mecanismo de
adsorción, sino que también se produce habitualmente una reducción del metal a Cr (III), debido a los diferentes grupos funcionales presentes en la materia orgánica.

- Compuestos orgánicos: Los resultados al barrido de materiales con MB y AB25, respectivamente. Se pudo observar que para el MB todos los materiales presentarón porcentajes de eliminación por encima del 90% con un valor de capacidad de adsorción, q (mmol/g), en torno a 0.045. Mientras que para el AB25 las capacidades de eliminación fuerón menores y los resultados mejores se obtuvieron con el bagazo 2, alcanzando un 70% de eliminación (0.036 mmol/g).

Estudio cinético:

- Mercurio: Se puede observar que utilizando bagazo 1 como adsorbente, el Hg(II) presento inicialmente una eliminación rápida y en menos de 1 hora se alcanzo el 50% de eliminación del metal. La cinética se siguió hasta las 24 horas pero en aproximadamente 5 horas se alcanzo el equilibrio, 70% de eliminación de mercurio que se correspondio con un valor entorno a 0.15 mmol/g de capacidad máxima registrada para esta biomasa.

- Compuestos orgánicos:  La cinética se estudió para el MB con bagazo 1 y para el AB25 con bagazo 2, por ser los materiales que presentaron mayores capacidades de adsorción en el barrido previo para cada colorante. Se observo que el MB alcanzo valores cercanos al 80% de eliminación en menos de 100 minutos, obteniéndose el equilibrio en menos de 5 horas. Sin embargo, con el AB25 se llego a un valor máximo de 70% en 24 horas, aunque la tendencia todavía no se ha alcanzado el equilibrio.


Isotermas de adsorción:

- Mercurio: La isoterma de adsorción para mercurio con bagazo 1. En el equilibrio se alcanza un valor máximo de adsorción de 60 mg de metal por gramo de adsorbente utilizado. El modelo utilizado para el ajuste fue el de Langmuir. Este modelo permitio obtener los valores máximos de adsorción en mmol/g para cada uno de los contaminantes y poder así comparar los resultados.

- Compuestos orgánicos: Se determinó la isoterma de adsorción de AB25 utilizando como biomasa el bagazo 2. Para esta experiencia se obtuvo una capacidad máxima de de adsorción 41.6 mg/g a través del ajuste al modelo de Langmuir.

Por otro lado, se estudió el proceso de equilibrio para el MB con bagazo 1. La isoterma puediendose observar un valor de la capacidad máxima de adsorción del material superior a 100 mg/g.

A la vista de los resultados, la mayor capacidad de retención la presenta la biomasa de bagazo 1 para eliminar el colorante orgánico MB. También se ha obtuvo un valor elevado con este mismo material como adsorbente de Hg (II) en disolución.

CONCLUSIONES

Los prometedores resultados obtenidos, tanto para metales pesados como para orgánicos, sobre la capacidad adsorbente de los biomateriales estudiados, sugieren claramente una intensificación de la labor investigadora sobre bioadsorbentes empleando todo tipo de residuos de la industria del vino.

Una profundización en dicho ámbito exige realizar estudios termodinámicos, cinéticos e ingenieriles, preferentemente en colaboración con empresas del
sector vitivinícola.

El grupo de Investigación de Fisicoquímica de Aguas Naturales de la Universidad de A Coruña puede aportar varios años de experiencia en el campo de la bioadsorción tanto a escala de laboratorio como de planta piloto.

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