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Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa
División de Ciencias Básicas e Ingeniería Departamento de IPH
Área de Ingeniería Química
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Asesora: Dra. Gretchen Terri Lapidus Lavine
Martínez Cruz Miguel Angel
Salas Bañales Eduardo .
Torres Reyes Marco Antonio
Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa
División de Ciencias Básicas e Ingeniería Departamento de IPH
Licenciatura en Ingeniería Química
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Martínez Cruz Miguel Angel
Salas Bañales Eduardo .
Torres Reyes Marco Antonio
Dra. Gretchen Terri Lapidus Lavine _______________________
Av. Michoacán y La Purísima. Iztapalapa 09340. México. D.F. Tel.
5804-4606 del 3 Junio 2002 al 6 de Mayo 2003
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
INDICE
1. INTRODUCCIÓN.........................................................................................................................................3
2. OBJETIVOS..................................................................................................................................................4
2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................................. 4 2.2 OBJETIVO PARTICULAR ............................................................................................................................ 4
3. ASPECTOS GENERALES ..........................................................................................................................4
3.1 INDUSTRIAS PRODUCTORAS A NIVEL NACIONAL (CENSO ECONÓMICO 1994).......................................... 4 3.2 PROCESOS DE RECUBRIMIENTOS METÁLICOS............................................................................................ 5 3.3 TRATAMIENTOS PREVIOS ....................................................................................................................... 11
3.3.1 Pre-tratamientos mecánicos .......................................................................................................... 12 3.3.2 Desengrase..................................................................................................................................... 13 3.3.3 Decapado ....................................................................................................................................... 14 3.3.4 Activado ......................................................................................................................................... 15
3.4 RECUBRIMIENTO ELECTROLÍTICO........................................................................................................... 15 3.5 TRATAMIENTOS POSTERIORES ................................................................................................................ 16
3.5.1 Lacados.......................................................................................................................................... 17 3.6 DESMETALIZADO.................................................................................................................................... 18
4 GENERACIÓN DE RESIDUOS Y EMISIONES .....................................................................................20
4.1 OBSERVACIONES DE CARÁCTER GENERAL............................................................................................. 20
5 NORMATIVIDAD .......................................................................................................................................20
5.1 PRELIMINARES ....................................................................................................................................... 20 5.2 NORMAS................................................................................................................................................. 21
6. COSTEO DE LOS RESIDUOS .................................................................................................................22
7. TECNOLOGÍA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS INDUSTRIALES .....................................23
7.1 ANTECEDENTES...................................................................................................................................... 23 7.2 FLOTACIÓN ELECTROLÍTICA. .................................................................................................................. 23 7.3 INTERCAMBIO IÓNICO............................................................................................................................. 24 7.4 OSMOSIS INVERSA .................................................................................................................................. 24 7.5 PURIFICACIÓN ELECTROLÍTICA. .............................................................................................................. 24 7.6 EVAPORACIÓN........................................................................................................................................ 25
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 1
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 8. ANTECEDENTES ......................................................................................................................................26
8.1 BIOMASA................................................................................................................................................ 26 8.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS PLANTAS ACUÁTICAS................................................................................... 26 8.3 LEMNA GIBBA ........................................................................................................................................ 27 8.4 BIOSORCIÓN DE METALES....................................................................................................................... 28 8.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS .................................................................................................................... 29 8.6 ALGUNOS CASOS DE ESTUDIO................................................................................................................. 31
8.6.1 Algunos estudios previos................................................................................................................ 31 8.7 PROCESO DE DESORCIÓN........................................................................................................................ 33 8.8 MOTIVACIÓN.......................................................................................................................................... 34
9. FUNDAMENTOS TEÓRICOS..................................................................................................................35
10. ETAPA EXPERIMENTAL......................................................................................................................36
10.1 OBJETIVO EXPERIMENTAL.................................................................................................................... 36 10.2 EQUIPO Y MATERIAL ............................................................................................................................ 36 10.3 PREPARACIÓN DE MUESTRAS................................................................................................................ 37
10.3.1 Caracterización del Líquido Residual ......................................................................................... 37 10.3.2 Tratamiento del Líquido Residual con Lemna Gibba .................................................................. 40
10.4 TRATAMIENTO DE UNA SOLUCIÓN MODELO CON LEMNA GIBBA .......................................................... 40 10.4.1 Biosorción con Soluciones Modelo.............................................................................................. 41 10.4.2 Biosorción con Soluciones Modelo y pH ..................................................................................... 49 10.4.3 Isotermas de Adsorción y Desorción para Pb y Ni ...................................................................... 51
10.5 ELECTROLISIS....................................................................................................................................... 56
11. DISEÑO DE EQUIPO ..............................................................................................................................57
12. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO............................................................................................................60
13. ANÁLISIS ECONÓMICO .......................................................................................................................62
14. CONCLUSIONES.....................................................................................................................................63
REFERENCIAS ..............................................................................................................................................66
APENDICES....................................................................................................................................................67
APENDICE A - ASPECTOS GENERALES ...................................................................................................... 67 APENDICE B - MÉTODOS PARA FIJAR LA BIOMASA CON EL OBJETO DE PROPORCIONARLE ESTABILIDAD Y
PROPIEDADES MECÁNICAS SATISFACTORIAS................................................................................................. 71 APENDICE C - TIPOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. ............................................................. 72
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 2
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 1. Introducción
La industria metal-mecánica es una gran generadora de aguas
residuales que contienen metales pesados, en particular el plomo y
níquel. La remoción de dicho metal implica un costo adicional para esta
industria, debido a que la legislación existente en la materia así lo exige.
Lo anterior tiene un impacto económico importante en la misma ya que
generalmente se trata de microempresas que ocupan extensiones muy
pequeñas de terreno y cuyo capital y márgenes de operación están
restringidos.
Por esta razón, y por ser muy numerosas estas empresas, debe de
estudiarse procesos que sean cada vez menos costosos así como de fácil
instalación y operación. También es importante considerar la posible
reutilización, venta o reprocesamiento del metal recuperado.
Es importante considerar que la toxicidad de los metales pesados
(en especial el plomo), hace que este problema cobre especial magnitud
ya que están en juego tanto la salud de los seres humanos y el equilibrio
de los ecosistemas, como la permanencia de estas empresas en su
ubicación actual.
Este trabajo tiene como objetivo encontrar una opción para la
remoción de metales pesados, como el plomo y níquel, de las aguas
residuales de las industrias del ramo metal mecánica utilizando biomasa
muerta (una planta acuática del género de las Lemnáceas). Lo anterior
pretende que dicha opción sea menos costosa que los métodos actuales
de tratamiento de aguas residuales.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 3
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 2. Objetivos 2.1 Objetivo General
Diseñar un proceso para remover y recuperar iones metálicos a
partir de aguas residuales, utilizando una biomasa particular de los
canales de Xochimilco.
2.2 Objetivo Particular
Aplicar el diseño al tratamiento de aguas
residuales en la industria metal-mecánica que contienen metales pesados
en particular el plomo y níquel
3. Aspectos Generales
3.1 Industrias Productoras a Nivel Nacional (Censo Económico 1994)
Existe una gran cantidad de empresas dedicadas a la actividad
metal-mecánica, las cuales llevan en sus efluentes de desecho una
concentración de metales pesados considerables. A continuación se
muestra una lista de estas empresas con la descripción de los bienes que
producen y el número existente de las mismas. Tabla 1- Clasificación de empresas de la rama metal-metalica generadoras de residuos de
metales pesados3
CLAS
E DESCRIPCIÓN UNIDADES
ECONOMICAS 382208 Fabricación de armas de fuego y cartuchos 8 383102 Fabricación de equipo para soldar 30 383301 Fabricación y ensamble de estufas y hornos de uso domestico 145 384110 Fabricación y ensamble de automóviles y camiones 28
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 384121 Fabricación y ensamble de carrocerías y remolques para
automóviles y camiones 566
384122 Fabricación de motores y sus partes para automóviles y camiones
93
384123 Fabricación de partes para el sistema de transmisión de automóviles y camiones
37
384124 Fabricación de partes para el sistema de suspensión de automóviles y camiones
89
384125 Fabricación de partes y accesorios para el sistema de frenos de automóviles y camiones
110
384202 Fabricación y reparación de equipo ferroviario 18 381202 Fabricación y reparación de tanques metálicos 272 381203 Fabricación y reparación de calderas industriales 33 381204 Fabricación de puertas metálicas, cortinas y otros trabajos de
herrería 28084
381300 Fabricación y reparación de muelles metálicos y accesorios 1031 381401 Fabricación y reparación de utensilios agrícolas y herramientas
de mano sin motor 381
381402 Fabricación de hojas de afeitar, cuchillería y similares 70 381403 Fabricación de chapas, candados, llaves y similares 49 381404 Fabricación de alambres y productos de alambre 365 381405 Fabricación tornillos, tuercas, remaches y similares 548 381406 Fabricación de clavos, tachuelas, grapas y similares 48 381407 Fabricación de envases y productos de hojalata y laminas 609 381408 Fabricación de corcholatas y otros productos troquelados y
esmaltados 188
381409 Fabricación y reparación de válvulas metálicas 180 381410 Fabricación y reparación de quemadores y calentadores 58 381411 Fabricación de baterías de cocina 155 3.2 Procesos de Recubrimientos Metálicos
Los procesos de recubrimientos electrolíticos o químicos, también
denominados galvanotecnia consisten en depositar por vía electroquímica
finas capas de metal sobre la superficie de una pieza sumergida en una
solución de iones metálicos o electrolito. Para ello se emplean productos
químicos relativamente puros, sales y metales, de forma que durante la
operación se depositan los metales empleados sobre las piezas. Los
procesos de recubrimiento metálicos merecen una valoración favorable
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa también en lo que respecta a la conservación de los recursos, puesto que
a diferencia de la fabricación de piezas en base de un metal de alto valor
(latón, cobre, acero inoxidable), este revestimiento sólo requiere
pequeñas cantidades de metal para incrementar el valor añadido de las
piezas y una utilidad para múltiples fines (decoración, dureza,
anticorrosión).
El principio básico de los procesos de recubrimiento electrolíticos
consiste en la conversión del metal del ánodo en iones metálicos que se
pasan en la solución. Estos iones se depositan en el cátodo (pieza que
será recubierta) formando una capa metálica en su superficie (Figura 1).
Figura 1. Principio de la deposición electrolítica.
Los procesos de recubrimiento electrolíticos son reacciones de
oxidación-reducción. En primer lugar, y salvo excepciones como cromo,
se oxida (o disuelven con carga positiva) el metal del ánodo. Los iones
metálicos en solución se reducen o metalizan sobre las piezas a recubrir.
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Los electrones para la reducción de los iones metálicos los suministra un
reductor contenido en el electrolito o bien, en raras ocasiones, el contacto
directo con un metal menos noble. Los electrolitos para la deposición
química contienen siempre soluciones buffer para mantener constante el
pH y tienen una duración limitada. Se puede obtener las capas
depositadas sin corriente externa en piezas de geometría muy compleja
con una distribución muy homogénea del espesor del recubrimiento.
Los siguientes factores químicos constituyen el segundo grupo
importante de condiciones a controlar:
• Concentración de los iones metálicos y especificación química.
• Tipo y concentración de los aniones y/o acomplejantes.
• pH.
• Tipo y concentración de los tensoactivos.
• Tipo y concentración de aditivos específicos para conseguir las
propiedades deseadas durante el proceso de recubrimiento.
Los electrolitos son formulados de una manera especifica y no son
en ese sentido en absoluto intercambiables. Los campos de aplicación de
los recubrimientos metálicos se dividen en tres grupos:
• Recubrimientos decorativos.
• Recubrimientos anticorrosivos.
• Recubrimientos funcionales (protección contra el desgaste y la
fricción, para lograr propiedades eléctricas especiales, posibilitan
la realización de soldaduras)
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa En la Tabla 2 se relacionan los principales campos de aplicación para los
diferentes tipos de revestimiento. Tabla 2. Principales campos de aplicación de los recubrimientos electrolíticos y químicos
en función del tipo de revestimiento.
Campos de aplicaciones de los recubrimientos Tipos de Decorativos Protección Recubrimientos funcionales
Recubrimientos Anticorrosiva Antifricción Electrotécnica
Soldadura
Plomo * Aleaciones de plomo-estaño
* * * *
Cromo * * * Oro y
aleaciones de oro
* * * *
Cobre * * * Aleaciones de
cobre * *
Níquel (electrolítico)
* * * * *
Níquel (químico)
* * * *
Plata * * * Cinc *
Estaño * * *
Las exigencias a las propiedades de los diferentes recubrimientos
metálicos son múltiples. Por esta razón se han desarrollado con el tiempo
una gran variedad de tipos y composiciones de electrolitos, con el objeto
de satisfacer todas estas exigencias. Los electrolitos se clasifican en
función de sus componentes, que se enlistan a continuación:
• Sales, que contienen en disolución el metal cuya deposición se
pretende.
• Aditivos para influir sobre las propiedades del electrolito.
• Aditivos para influir sobre las propiedades del recubrimiento.
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
El recubrimiento electrolítico de las piezas se produce casi
exclusivamente por inmersión en un baño. Al extraer las piezas del baño
arrastran una cantidad del electrolito sobre la superficie de las piezas. Esa
película superficial arrastrada se elimina en un proceso de lavado
posterior para que no interfiera en las siguientes operaciones o altere las
condiciones de acabado exigidas.
En función de la producción, la diversidad de recubrimientos y el
grado de tecnificación, los procesos de recubrimientos pueden ser
manuales o automáticos. Dentro de estos dos grupos se distingue a la vez
entre el transporte de piezas en bastidor (o estático) y en tambor (o
bombo), en función del tipo de piezas, de la calidad requerida y de los
costos asumidos.
Una línea de recubrimientos electrolíticas está compuesta por
numerosas operaciones que, en función de las exigencias de calidad y el
campo de aplicación seleccionado pueden agruparse del siguiente modo:
• Tratamientos previos
• Pre-tratamiento mecánico de las superficies.
• Desengrase.
• Decapado
• Activado, neutralizado
• Tratamiento principal
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
• Deposición previa de un recubrimiento metálico de
protección que facilita el revestimiento posterior sobre
materiales críticos (aluminio, plástico)
• Deposición de un recubrimiento metálico.
• Tratamiento posterior
• Recubrimientos químicos para mejorar las propiedades
anticirrosivas y funcionales del revestimiento (cromatizado,
sellado, lacado).
• Tratamiento mecánico posterior (pulido, mateado,
conformado).
• Secado.
• Control de calidad.
• Destamización
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa En la Figura 2 se muestra un proceso típico de la industria galvanoplástia
Materias Primas Etapa Impacto ambiental
Solventes Orgánicos
Desengrase
Enjuagues Contaminados
Vapores
Ácido Sulfúrico Ácido Crómico en Solución
Sensibilización
Goteo Enjuagues Agotados
Ácido Clorhídrico Cloruro Estannoso
Activación
Goteo
Cloruro de Paladio
Nucleación
Enjuagues agotados
Reductor, Hiposulfito sódico, Formaldehído
Pos- nucleación
Sales de cobre, níquel o plata, ácido sulfúrico, ácido crómico
Premetalizado
Goteo al piso
Sales de cobre, niquelado o plata, ácido sulfúrico, ácido crómico
Metalizado
Goteo al piso Baños agotados
Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de galvanoplástia
3.3 Tratamientos Previos
Las piezas a recubrir deben presentar, como en todos los procesos
de recubrimiento, una superficie metálica totalmente limpia y lisa. La
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa limpieza puede efectuarse por vía física o química. Los tratamientos
previos son específicos en función de las sustancias a eliminar de las
superficies (Tabla 3) Tabla 3. Eliminación de impurezas
Impurezas, defectos en la superficie
Tipo de tratamiento previo Sustancias empleadas
Asperezas, defectos en la superficie
Rectificado, pulido, chorreado
Abrasivos
Grasas, aceites Desengrase Silicatos, emulsiones, tenso activos, disolventes
orgánicos Óxidos, sales Decapado, mordentado,
activado Ácidos
3.3.1 Pre-Tratamientos Mecánicos El pre-tratamiento mecánico que arranca de la superficie de la
pieza una fina capa, incluye procesos como el cepillado, pulido y
rectificado, que permiten eliminar asperezas o defectos de las superficies.
En menor medida se aplica la técnica del chorreado que permite eliminar
junto con las asperezas y defectos de la superficie, los aceites, óxidos y
restos de finos del mecanizado. Tras estas operaciones es necesario
someter a las piezas a un proceso de lavado, puesto que durante las
etapas anteriores se deposita sobre la superficie de las piezas, una parte
de la grasa y del abrasivo utilizado, así como polvo metálico.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 12
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Figura 3.Pre-tratamientos mecánicos
3.3.2 Desengrase En la fabricación de piezas se emplean grasas, aceites y sustancias
similares, como refrigerantes y lubricantes. A menudo también se
engrasan las piezas como protección anticorrosivo temporal.
El desengrase puede efectuarse básicamente de dos formas: con
disolventes orgánicos o en soluciones acuosas alcalinas con poder
emulsificador.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 13
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Figura 4. Operación de Desengrase Acuoso
3.3.3 Decapado
El contacto entre atmósfera y pieza metálica provoca la formación
de capas de óxido. El objeto del decapado es su eliminación. El baño
decapado contendrá diversos tipos de metales en solución en función del
tipo de material y del grado de mantenimiento y desmetalizado de los
contactos de bombos y bastidores.
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Figura 5. Operación de Decapado
3.3.4 Activado
El proceso de activado, también llamado neutralizado e inclusive
decapado suave, se utiliza para eliminar esa pequeña capa de óxido que
se ha formado sobre la superficie del metal una vez que la superficie ha
sido tratada o lavada en sucesivas etapas.
Esa pequeña capa de óxido hace que la superficie se pasiva y por lo
tanto sea poco conductora. Las soluciones empleadas son por lo general
ácidas muy diluidas. Los activados permiten asimismo eliminar velos y
manchas generados por compuestos orgánicos y/o inorgánicos.
3.4 Recubrimiento Electrolítico
La deposición de un determinado metal puede obtenerse a partir de
baños o electrolitos de diferente composición. Las propiedades
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 15
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa específicas de los recubrimientos dependen de los componentes del
electrolito utilizado. La calidad de recubrimiento exigida para un campo
de aplicación especifico, sólo puede cumplirse manteniendo unas
condiciones de trabajo constantes y definidas y realizando un
seguimiento exhaustivo de los mismos. La estabilidad a largo plazo de
los electrolitos, es de gran importancia para minimizar la generación de
baños electrolíticos contaminados.
Figura 6. Operación de Recubrimiento electrolítico
3.5 Tratamientos Posteriores
Existen diferentes tipos de baños de pasivos crómicos en función
de su composición, temperatura y pH. Por lo general se emplea este tipo
de pasivazos de carácter químico para evitar la corrosión de la superficie
recubierta. Para mejorar aún más las propiedades anticorrosivos del
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 16
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa pasivo crómico, se extiende a la operación de sellado con silicatos y otras
sustancias orgánicas en base acuosa.
Figura 7. Operación de Pasivazo Crómico
3.5.1 Lacados Las operaciones de lacado electrolítico en base acuosa de piezas
metalizadas tienen una presencia creciente en el mercado, sobre todo
como protección anticorrosivo de acabados decorativos de gran valor
añadido (plata, latón, oro) o como sustituto de revestimientos
electrolíticos de alto costo o de gran dificultad técnica (oro o bronce).
Los baños de lacado exigen un alto grado de mantenimiento,
siendo necesario al menos una ultrafiltración del baño para evitar la
acumulación de ácidos organicos.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 17
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Figura 8. Operación de Lacado
3.6 Desmetalizado
La operación de desmetalizado va dirigida a eliminar los
recubrimientos de piezas rechazadas o de los contactos de los bastidores
sin atacar el metal base. Los desmetalizados pueden ser electrolíticos
(anódicos) o químicos. Los primeros tienen una composición similar a un
electrolito. Los segundos suelen contener complejantes fuertes que
pueden generar problemas en los tratamientos de aguas residuales.
En la Figura 9 se muestra un proceso típico de acabado
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Materias Primas Etapa Impacto
Solventes Soda , carbonato de sodio Fosfato de sodio Humectantes
Desengrase
Goteo al piso Aceites emulsificados Partículas en suspensión
Agua
Sensibilización
Aguas alcalinas
Ácido Clorhídrico, nítrico, sulfúrico, inhibidores
Activación
Generación de hidrógeno, lodos metálicos, niebla ácida
Soluciones alcalinas
Nucleación
Generación de lodos, goteo al piso
Agua
Pos- nucleación
Aguas residuales
Sales metálica sulfatos, cloruros, cianuros) de zinc, cobre y níquel. Ácidos inorgánicos
Premetalizado
Nieblas ácidas o básicas Goteo al piso
Agua
Metalizado
Aguas residuales Sales metálicas disueltas
Secado
Vapores
Figura 9. Operaciones realizadas en acabado
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 19
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 4 Generación de Residuos y Emisiones
4.1 Observaciones de Carácter General
Los procesos de recubrimientos electrolíticos generan todo una
serie de residuos y emisiones. Las emisiones más importantes son las
aguas residuales procedentes básicamente de los enjuagues tras las
operaciones.
Las dos corrientes más típicas de residuos están constituidas por los
baños agotados y los lodos galvánicos que se obtiene en los procesos de
depuración de los diferentes flujos contaminados que se generan en los
procesos galvánicos.
5 NORMATIVIDAD
5.1 Preliminares En el sector industrial, están registradas en México 35 000
empresas, de las cuales 12 400 generan considerables cantidades de
aguas residuales.
En el año 2000, el volumen de aguas residuales se calculó en 159
m3 por segundo; con una carga de desechos de 1.6 millones de toneladas.
En las 1354 plantas depuradoras existentes se tratan solamente 21
m3 por segundo (13%) de las aguas residuales industriales. 543 plantas
disponen exclusivamente de un tratamiento primario. Otras 737 plantas
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 20
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa tienen además de éste también un tratamiento biológico. De esa manera
un total de 65.6% de las aguas residuales se somete a tratamiento. (Ver
Apéndice C)
En enero de 2000, un total de 880 de estas plantas depuradoras no
cumplieron las normas y legislaciones actuales4.
5.2 Normas
La normatividad nacional regula los contaminantes en sus estados
sólidos líquidos y gaseosos. En cuanto a los residuos, la NOM-052-
ECOL-1993 norma las características de los residuos peligrosos, cuales
son éstos y los límites de los mismos en los diferentes medios.
En cuanto a los efluentes residuales industriales, la NOM-002-
ECOL-1996 marca los límites permisibles de contaminantes en las
descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o
municipal, con el fin de prevenir y controlar la contaminación de las
aguas y bienes nacionales, así como proteger la infraestructura de dichos
sistemas, y es de observancia obligatoria para los responsables de dichas
descargas. Esta norma no se aplica a la descarga de las aguas residuales
domésticas, pluviales, ni a las generadas por la industria, que sean
distintas a las aguas residuales de proceso y conducidas por drenaje
separado5
En cuanto al plomo y níquel, se tienen los siguientes límites
máximos permisibles:
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 21
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Tabla 4. Límite máximo permisible5 para contaminantes de las descargas de aguas residuales según NOM-002-ECOL-1996
PARÁMETROS(miligramos por litro, excepto cuando se
especifique otra)
PROMEDIO MENSUAL
PROMEDIO DIARIO
INSTANTANEO
Plomo total 1 1.5 2 Níquel total 4 6 8
6. Costeo de los Residuos
La compañía Herrajes S.A. paga las siguientes cantidades por que
se lleven sus aguas residuales: El costo de confinamiento por tambo de
200 litros es de $450.00 Consecuentemente el costo por litro es de $2.25.
Se extraen 15 tambos cada mes y medio, por lo tanto se desechan 67
litros diarios en promedio. Al año se tiene un promedio de 24,455 litros
de aguas residuales ó aproximadamente 24m3. Por lo que anualmente el
costo promedio de $55,000.00.
Figura 10. Confinamiento de las aguas residuales
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 22
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 7. Tecnología para el Tratamiento de Aguas Industriales 7.1 Antecedentes
Actualmente existen distintos métodos de tratamiento de este tipo
de aguas. A continuación se presenta el esquema general de cada uno de
ellos, para poder comparar posteriormente las ventajas y desventajas con
el proceso propuesto en este trabajo.
Precipitación química. Esta técnica genera una gran cantidad de
residuos peligrosos, no teniendo una posibilidad viable para su
recuperación1.
7.2 Flotación Electrolítica.
El equipo consiste de dos cámaras separadas; en una de estas
cámaras se encuentra el agua residual la cual se somete a electrólisis. Se
genera una espuma la cual se desborda a la siguiente cámara que
funciona como tanque de flotación y sedimentación. Los sólidos se
depositan en el fondo, la espuma flota a la parte superior y el agua se
obtiene de la parte media de la misma. Este método presenta algunos
inconvenientes: el reducido porcentaje de remoción de metales del
efluente, y que la flotación requiere una cantidad elevada de energía
eléctrica, así como un ánodo y un cátodo para la electrólisis lo cual
aumenta el costo. Se requeriría además tratar los enjuagues de forma
individual1.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 23
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 7.3 Intercambio Iónico.
Se intercambian iones entre un sólido y un líquido en donde no se
presenta un cambio sustancial en la estructura del sólido. Son utilizadas
resinas las cuales constan de cationes intercambiables, entre los cuales se
encuentra el hidrogeno u otros iones monovalentes como el sodio. Las
resinas llegan a saturarse por lo que deben de ser regeneradas con una
solución concentrada que contenga el ión original de la resina. Al utilizar
resinas para tratar aguas con una alta concentración del metal a remover,
éstas se saturada rápidamente. Por lo anterior, esta metodología no es
apropiada para una tratamiento inicial al agua de los enjuagues, sin
embargo se puede proponer para una agua ya tratada1.
7.4 Osmosis Inversa
El agua pura se difunde a través de una membrana semipermeable
(la que permite el paso del disolvente, pero no de las sustancia disueltas)
desde una disolución de sal (u otras disoluciones como aguas residuales),
a presiones arriba de la presión osmótica. La membrana suele ser de
acetato de celulosa colocada sobre un soporte poroso2. En general este
método es una manera muy costosa de generar una solución más
concentrado de sales.
7.5 Purificación Electrolítica.
Se lleva a cabo para soluciones no tan diluidas con el fin de
recuperar el metal. El metal, que se deposita en el cátodo, proviene de las
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 24
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa soluciones gastadas en otro proceso electrolítico sin adicionar ningún
agente químico ni reposición de iones, usando como ánodo un electrodo
inerte. Si existe cianuro presente, es una prioridad retirar en primera
instancia. Lo anterior lleva a la remoción parcial de los metales
presentes1.
7.6 Evaporación.
El sistema de evaporación puede ser aplicado prácticamente a todo
los tipos de soluciones. Puede ser empleado para baños de cianuro, zinc,
cadmio, cobre, plata y bronce, ácido crómico, níquel, soluciones de
fluoruboratos para estaño, plomo-estaño, plomo-estaño-cobre y
soluciones de cloruros de zinc. Este procedimiento es sencillo y de bajo
costo, si se utiliza energía solar. Las soluciones se sitúan en una especie
de cubetas poco profundas, cuyo fondo está revestido con un aislante
negro, cubiertas por un techo inclinado de cristal o de plástico
transparente. La luz solar que atraviesa este techo es absorbida por el
revestimiento negro y devuelta en forma de radiación infrarroja (calor),
que calienta el agua y produce su evaporación y posterior condensación
sobre la cara inferior, más fresca, del techo transparente. El agua se
desliza por éste hasta unos canalones de recogida. En las cubetas van
quedando depositados los sólidos disueltos en el agua2. Sin embargo, no
representa una solución a aguas residuales industriales por su volumen
elevado y por la generación de lodos.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 25
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
En general los métodos antes mencionados son muy costosos y/o
producen cantidades elevadas de residuos toxicos. Esto motiva el estudio
de la biomasa (viva y/o inerte) como agente de remoción de metales
pesados de las aguas residuales industriales.
8. Antecedentes
8.1 Biomasa
Cantidad de materia viva producida en una determinada especie de
la superficie terrestre, o por organismos de un tipo especifico6.
8.2 Características de las Plantas Acuáticas
La plantas acuáticas se encuentran ampliamente distribuidas en el
mundo. Crecen asociadas a cuerpos de agua ricos en nutrientes o en
suelos que están cubiertos con agua durante la mayor parte de la
temporada de crecimiento (como en los canales de Xochimilco).
Las plantas acuáticas, en forma viva, han sido utilizadas para el
tratamiento de aguas residuales en pantanos naturales o artificiales,
donde dichas plantas proliferan considerablemente. El fundamento de
este tipo de tratamiento consiste en que los compuestos presentes en el
agua son absorbidos e incorporados dentro de la estructura de las plantas
acuáticas, logrando eliminar la contaminación del agua y favoreciendo la
restauración de la calidad de la misma.
Las macrofitas acuáticas usadas para el tratamiento de las aguas
residuales deben contar con las siguientes características:
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 26
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
• Alta productividad.
• Alta eficiencia de remoción de nutrientes y contaminantes.
• Alta predominancia bajo condiciones naturales adversas.
• Fácil cosecha.
Si se utiliza como biomasa muerta solamente se debe cumplir dos
características
• Alta eficiencia de remoción de contaminante.
• Abundancia.
8.3 Lemna Gibba
La familia de la Lemnáceas comprende cerca de 35 especies y 4
géneros: Spirodela, Lemna, Wolffiela y Wolffia; de éstos el más
utilizado en el tratamiento de efluentes ha sido el género Lemna. Las
plantas del género Lemna son conocidas comúnmente como lentejillas de
agua. Sus hojas son pequeñas y raramente exceden los 5 milímetros de
longitud. Algunas veces las hojas se agregan como resultado de la
reproducción vegetativa de la planta, pero en general la planta puede
permanecer agregada o solitaria7.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 27
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa La Lemna Gibba es una especie del género de las Lemnáceas
Figura. 11 Esquema de la Lemna Gibba e imagen de la misma
8.4 Biosorción de Metales
El descubrimiento de la biosorción de metales ha servido de base
para el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan la
descontaminación mediante remoción de metales a partir de residuos
líquidos. En algunos casos, puede incluso pensarse en la recuperación de
metales valiosos.
La biosorción es un concepto que se ha acuñado para describir el
fenómeno de captación pasiva de iones metálicos, en el cual sólo
participan interacciones de tipo físico-química con los componentes
externos de la célula, por lo tanto, se trata de una unión de tipo
reversible. No es necesario que el espécimen se encuentre en activo
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 28
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa crecimiento cuando va a ser utilizado en un proceso de biosorción,
incluso se puede emplear biomasa muerta o inactiva. Por estas
características, este último fenómeno de captación pasiva es más
adecuado para aplicarlo en un proceso de remoción de iones metálicos,
pues es menos afectado por cambios en las condiciones ambientales,
tales como temperatura o la presencia de iones tóxicos8.
El tratamiento biológico de materiales inorgánicos se presenta
entonces como una nueva opción a los métodos existentes para la
recuperación de metales pesados u otros tóxicos de los afluentes
industriales. Una ventaja adicional es que dichos tratamientos tienen un
bajo consumo de energía.
8.5 Ventajas y Desventajas
Las ventajas y desventajas de la biosorción se presentan a
continuación:
1. Ventajas
• Como es independiente del crecimiento, la biomasa muerta no está
sujeta a las limitaciones de toxicidad. No necesita de nutrientes en
la solución de alimentación, de disposición de nutrientes, ni
productos metabólicos.
• El proceso no se encuentra gobernado por restricciones
fisiológicas, o sea no depende del crecimiento.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 29
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
• La selección de la técnica de inmovilización no está gobernada por
limitaciones de toxicidad o inactivación térmica.
• La captación de metales es eficiente y muy rápida; la desorción y
recuperación se realiza fácilmente, siguiendo isotermas
convencionales de adsorción. También es posible definir el proceso
matemáticamente.
2. Desventajas
• Saturación inmediata de los sitios metal-interactivos. Cuando se
encuentran ocupados, la desorción es necesaria antes de reutilizar
la biomasa.
• La adsorción es sensible a los cambios de pH.
• El estado de valencia del metal no puede ser alterado
biológicamente para dar formas menos solubles.
• No existe capacidad para degradar especies organometálicas.
El mejoramiento de estos procesos biológicos es limitado ya que las
células no efectúan un metabolismo. La producción de agentes
adsorbentes ocurre durante la etapa de precrecimiento. Existe una
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 30
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa incomprensión del proceso bioquímico de la producción del agente
adsorbente, hecho que dificulta su optimización9.
8.6 Algunos casos de Estudio
Se ha estudiado diferentes tipos de biomasa muerta o inerte para la
adsorción de metales en solución. En la Tabla 5 se presenta algunos de
los tipos de biomasa investigados. Tabla 5. Tabla comparativa de diferentes tipos de Biomasa inerte
Tipo de biomasa inerte
Características
Algas cafés secas, Sargassum natans, Focus vesiculosus y Ascophyllum
Demostraron un nivel alto de captación de cadmio a partir de soluciones acuosas.13
Algas marinas secadas al sol: Macrocystis pyrifera, Undaria, Laminaria, Aschophyllum nodosum, Sargasum fluitans, Sargassum natans; algas verdes, Cosium Taylori, Halimeda opuntia; algas rojas, Chondrus crispus, Palmira palmata, Porphyra, Tenera
Se han probado como biosorbentes para la acumulación de oro.10
8.6.1 Algunos Estudios Previos
Se ha estudiado cuantitativamente el proceso de adsorción de iones
metálicos en la biomasa. Se ha elegido el modelo de la isoterma de
Langmuir para estimar la cantidad máxima adsorbida de ión cadmio por
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 31
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Aschophyllum nodosum9. Al incrementar la concentración de cobre en la
solución se le detectó adsorbido en mayor cantidad en la biomasa10. La
remoción de cationes cadmio en solución, con Aschophyllum nodosum a
pH de 2 resultó ser inferior a la obtenida a un pH de 4.9.
En la captación de oro con Sargassum natans se efectuaron pruebas
a distintas temperaturas con diferentes valores de pH11,12,13. Se encontro
que el pH afectó apreciablemente la captación de oro en Sargassum
natans, la cual es mayor a valores de pH inferiores a 3. Palmira palmata,
Chondrus crispus y Porphyra tenera (algas rojas) exhiben mayor
captación a un pH de 411. Algunos estudios acerca de la biosorción de oro
en Sargassum natans indican que el mecanismo de este proceso puede
esta basado en la adsorción en combinación con la reducción del oro14.
La concentración inicial de oro no mostró un efecto apreciable sobre la
forma de la isoterma de biosorción de oro11.
Cabe destacar que las temperaturas de secado, en la preparación de
la biomasa, por debajo de 100°C no tienden a afectar apreciablemente su
capacidad de captar iones metálicos, aunque se prefieren temperaturas
inferiores a 50° C o bien, secarlas a la luz del sol9.
En el proceso propuesto aquí se pretende que la biomasa inerte sea
soportada debida a que esto eleva los costos del proceso. Además, por la
naturaleza de la Lemna, podría no ser necesario. Sin embargo, no se
puede dejar de tener presente dicha opción, puesto que en trabajos con
otras especies vegetales se ha visto la conveniencia de tener inmovilizada
la biomasa con un soportes inorgánico u orgánico, ya que cuando la
biomasa nativa se rehumedece al ponerla en contacto con la solución
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 32
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa metálica se hincha y se vuelve muy suave, desmoronándose fácilmente.
La formación de partículas porosas de biomasa, que se pueden utilizar en
la determinación de parámetros para el diseño y escalamiento9, le
proporcionan características mecánicas que no poseía en su estado
nativo. Existen distintos métodos para fijar la biomasa con el objeto de
proporcionarle estabilidad y propiedades mecánicas satisfactorias. (Ver
Apéndice B)
Figura 12. Microscopia de la Lemna Gibba inactiva (muerta) a 430µm.
8.7 Proceso de Desorción
Un tratamiento con ácido es usado para la remoción de metales de
las partículas floculadas3. Por ejemplo, tanto el cobre, cadmio, zinc y
plomo se separan de los flóculos en la medida que se incrementa la
acidez. Una vez recuperados los iones metálicos en la solución ácida,
estos son precipitados por electrolisis y así se obtiene el metal sólido.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 33
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Posteriormente si el tratamiento ácido no afecta la capacidad de la
biomasa de captar metales se puede reutilizar.
8.8 Motivación
Resulta evidente que los metales pesados pueden ser recuperados
aprovechando la capacidad de las algas o otra biomasa que adsorber
metales pesados. Por tal motivo se busca desarrollar una metodología
para la recuperación de metales pesados usando un agente adsorbente
que cumpla las siguientes demandas:
• La adsorción y liberación del metal debe ser eficiente y rápida.
• El agente adsorbente debe ser producido a un costo mínimo.
El agente inmovilizador de la biomasa, de ser necesario, debe
proporcionar las características mecánicas necesarias para incluir la
biomasa en un proceso industrial.
El reactivo usado para la liberación del metal debe ser económico y
la desorción del metal debe ser casi completa.
Es deseable que el proceso de adsorción tenga la capacidad de
recuperar los diferentes metales que se encuentren en los efluentes que se
sometan al tratamiento y si es posible, desarrollar un agente adsorbente
que pueda regenerarse para su reutilización.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 34
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 9. Fundamentos Teóricos
Las macrófitas acuáticas han sido consideradas como una plaga
debido a su rápido crecimiento, ya que en ocasiones llegan a invadir
lagunas, lagos, presas y canales generando varios problemas. En los
canales de Xochimilco existe un tipo particular de macrofita, la lemna
gibba, la cual tiene capacidad de biosorción tanto cuando está viva como
en estado inerte (ya muerta).
En estado inerte presenta las características de biosorción de otras
plantas acuáticas ya mencionadas, como las algas, probablemente con la
ventaja de no requerir un soporte.
Se ha visto que la Lemna Gibba presenta en estado inerte, una
selectividad notable por los metales pesados, razón por la que se propone
utilizar para remover el plomo y níquel de aguas residuales industriales
que contienen este metal. Se pretende también que una vez que se haya
saturado la planta se proceda la desorción utilizando para ello una
solución ácida, de forma similar a lo hecho con otras plantas acuáticas.
Una vez llevado a cabo el tratamiento anterior se reutilizará la lemnacea
en el proceso de biosorción.
En cuanto a la solución ácida, se le pretende tratar ya sea con
electrólisis, para así recuperar el metal, o realizar una precipitación
química con lo que se obtendrían sales del metal en cuestión. De
necesitar purificar o concentrar los metales, se puede considerar el uso de
una extracción con solventes. En todo caso se pretende obtener un
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 35
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa producto que sea vendible. También se espera poder reutilizar la solución
ácida.
En el caso de que no se pudiera desorber el plomo de la Lemna
Gibba, entonces se procederá a su confinamiento. En este caso, la ventaja
que se tendría sería la de que el volumen del despojo es mucho menor
que el volumen de las aguas residuales.
10. Etapa experimental
10.1 Objetivo Experimental
• Investigar las condiciones más convenientes para la adsorción de
los iones de plomo y níquel por la biomasa y su eficacia de
adsorción para estos metales
• Estudiar las condiciones de desorción de los iones y su separación
10.2 Equipo y Material
Para el análisis de las muestras se utilizó
un espectrofotómetro de adsorción atómica con el cual se
pueden medir concentraciones de iones metálicos en solución. El
principio de funcionamiento de este aparato está basado en la generación
de átomos en estado basal y en la medición de cantidad de energía
absorbida por estos (absorbancia), la cual es directamente proporcional a
la concentración de ese elemento en la muestra analizada.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 36
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
El espectrofotómetro de absorción atómica (EAA), marca
VARIAN, modelo SPECTRA AA con haz sencillo o doble haz y
computadora integrada5, consta de las siguientes partes: monocromador,
detector, fotomultiplicador ajustable al ancho de banda espectral,
intervalo de longitud de onda de 190 a 900 nm provisto de una interfase
con registrador.
Se utilizaron las siguientes sustancias:
• Biomasa inerte (Lemna Gibba).
• Patrón de plomo (con 1000ppm).
• Patrón de Hierro (con 1000ppm).
• Patrón de Níquel (con 1000ppm).
• Patrón de Zinc (con 1000ppm).
• Ácido Nítrico.
10.3 Preparación de Muestras
10.3.1 Caracterización del Líquido Residual
Se obtuvo una muestra de líquido residual de la Empresa Herrajes
S.A. Cabe aclarar que inicialmente se pensaba que el líquido residual era
predominantemente agua, con una pequeña cantidad de algún solvente
orgánico. Posteriormente se vio que el solvente orgánico formaba la
mayor parte del líquido residual y si éste contenía agua, existía en una
cantidad mínima.
Esto se descubrió al tratar de diluir con agua: en el líquido residual
se formaron dos fases, la del agua agregada y la del líquido residual.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 37
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Otro indicativo de que se trataba de una dilución en un solvente
orgánico y no una solución acuosa se dio al tratar de medir el pH del
líquido residual. Se tuvo una constante variación en los valor del mismo,
no teniendo un valor que se pudiera considerar confiable.
Cabe puntualizar que se realizó una consulta a los profesores del
Departamento de Química para poder identificar la parte orgánica del
líquido residual, quienes opinaron que dicho líquido posiblemente fuera
Xileno o Tolueno. Se consideró que la identificación de dicho líquido
residual salía del objetivo del presente proyecto.
Se calculo la densidad del líquido residual en base a los datos
obtenidos con un picnómetro, el valor de dicha densidad es de: ρ= 1.357
g/cm3.
Las características cualitativas del líquido residual son:
• Color: Amarillo translucido.
• Olor: Similar al de los disolventes orgánicos utilizados en las
tintorerías.
• Consistencia: Aceitosa al tacto.
• No totalmente homogéneo (para tomar una muestra había que
agitar).
Se extrajeron los iones metálicos contenidos en el líquido residual
utilizando una solución acuosa de ácido nítrico al 5%, para después
medir los iones presentes en la fase acuosa.
Con el equipo de adsorción atómica se identificaron los metales
que contenía el líquido residual. Por información de la industria de la
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 38
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa cual provenía el liquido residual (Herrajes S.A) contenía plomo (Pb),
Hierro (Fe), Níquel (Ni), Zinc (Zn), Cobre (Cu) y Aluminio (Al), puesto
que estos metales son los que se trabajan en dicha industria.
Los resultados fueron los siguientes: Tabla 6. Datos de concentración de Pb en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de
líquido residual-agua desionizada. Solución acuosa de ácido Nítrico al 5% (ml)
Volumen de Liquido Residual (ml)
Concentración (ppm) Pb
10 90 1.26 20 80 1.81 40 60 3.00 60 40 6.61
Tabla 7. Datos de concentración de Zn en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de
líquido residual-Agua desionizada. Solución acuosa de ácido Nítrico al 5% (ml)
Volumen de Liquido Residual (ml)
Concentración (ppm) Zn
10 90 1.4 20 80 <1.6 40 60 <1.6 60 40 <1.6
Tabla 8. Datos de concentración de Fe en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de
líquido residual-Agua desionizada. Solución acuosa de ácido Nítrico al 5% (ml)
Volumen de Liquido Residual (ml)
Concentración (ppm) Fe
10 90 1.20 20 80 2.26 40 60 4.38 60 40 <5
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 39
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Tabla 9. Datos de concentración de Ni en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de líquido residual-Agua desionizada.
Solución acuosa de ácido Nítrico al 5% (ml)
Volumen de Liquido Residual (ml)
Concentración (ppm) Ni
10 90 0.2 20 80 0.4 40 60 0.9 60 40 2.2
Tabla 10. Datos de concentración de Cu en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de
líquido residual-Agua desionizada. Solución acuosa de ácido Nítrico al 5% (ml)
Volumen de Liquido Residual (ml)
Concentración (ppm) Cu
10 90 0.01 20 80 0.01 40 60 0.02 60 40 0.08
10.3.2 Tratamiento del Líquido Residual con Lemna Gibba
Se colocaron 60 ml del Líquido Residual en un vaso de precipitado
y se vierte sobre 0.75 g de Lemna para ver si se adsorben los iones
metálicos. A esta muestra no se le colocaron la solución de ácido nítrico
al 5%.
Al tratar de cuantificar la concentración de iones que se adsorbieron en la Lemna (esto se hizo midiendo la concentración de iones metálicos, de la muestra a la que se hace referencia, con el espectrómetro de absorción atómica) el resultado de ésta medición indicó que no había variado la concentración de iones metálicos en la muestra. Por lo tanto se concluye que la Lemna no puede adsorber dichos iones directamente de la fase orgánica de la muestra.
10.4 Tratamiento de una Solución Modelo con Lemna Gibba
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 40
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Como alternativa de trabajo, se prepararon soluciones modelo a
partir de soluciones patrón de 1000 ppm (distribuido por HYCEL de
México S.A. de C.V.), descartando trabajar con el líquido residual.
10.4.1 Biosorción con Soluciones Modelo
Para llevar a cabo los experimentos de biosorción se planteó
primero dejar fija la concentración de cada metal y variar la cantidad de
adsorbente (Lemna Gibba). Las primeras soluciones fueron preparadas a
10 ppm del metal correspondiente y la cantidad de adsorbente varió de
0.2g/100ml a 1.00g/100ml para el caso del plomo y del níquel. Para el
caso del zinc, la concentración de las muestras fue de 1.6 ppm y la
cantidad del sólido adsorbente varió de 0.05g/100ml a 0.25g/100ml. Los
resultados de estos experimentos se muestran en las Figuras 13, 14 y 15.
Es importante observar que en todas las graficas la cantidad total, es
cantidad total de metal adsorbido (en mg) por unidad de masa (en este
caso gramos) de material adsorbente (Lemna Gibba). La concentración al
equilibrio es la concentración medida en la solución después de la
biosorción.
ADSORCIÓN DE Pb
Ci[ppm] Cf*[ppm] C Lemna mg Pb/ LSol L Sol mg Pb Cant.ads,mg Pb/ g lemna g(Lemna) 10 5.37 4.63 0.1 0.463 2.270 0.204 10 4.2 5.8 0.1 0.58 1.443 0.402 10 2.96 7.04 0.1 0.704 1.173 0.6 10 2.99 7.01 0.1 0.701 0.876 0.8 10 3.16 6.84 0.1 0.684 0.684 1
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 41
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5 6
Concentración al equilibrio, C[F], mg/l
Cad
s, m
g Pb
/g d
e le
mna
*10-1
Pb
Figura 13.Variación de la cantidad total de metal adsorbida con respecto a la concentración
de equilibrio para el ion Pb. Sin control de pH
ADSORCIÓN DE Ni
Ci[ppm] Cf*[ppm] C Lemna mg Ni/ LSol L Sol mg Ni
Cant.ads,mg Pb/ g lemna g(Lemna)
10 7.69 2.31 0.1 0.231 1.138 0.2029
10 7.34 2.66 0.1 0.266 0.663 0.4012
10 7.2 2.8 0.1 0.28 0.465 0.602
10 7.11 2.89 0.1 0.289 0.360 0.8017
10 6.59 3.41 0.1 0.341 0.341 1.0011
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 42
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10Concentración al equilibrio, C[F], mg/l
Cm
etal
ads
. / g
de
lem
na *1
0-1
Ni
Figura 14. Variación de la cantidad total de metal adsorbida con respecto a la concentración de equilibrio para el ion Ni. Sin control de pH
ADSORCIÓN DE Zn
Ci[ppm] Cf*[ppm] C Lemna mg Zn/ LSol L Sol mg Zn Cant.ads,mg Zn/ g lemna g(Lemna)
1.6 0.9 0.7 0.1 0.07 1.400 0.05
1.6 0.7 0.9 0.1 0.09 0.900 0.1
1.6 0.7 0.9 0.1 0.09 0.600 0.15
1.6 0.7 0.9 0.1 0.09 0.450 0.2
1.6 0.7 0.9 0.1 0.09 0.360 0.25
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 43
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
02468
10121416
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Concentración al equilibrio, C[F], mg/l
Cm
etal
ads
, / g
de
lem
na* 1
0-1
Zn
Figura 15. Variación de la cantidad total de metal adsorbida con respecto a la concentración de equilibrio para el ion Zn. Sin control de pH
Cabe señalar que en los experimentos anteriores no se midió el pH
de las soluciones antes ni después de la biosorción.
En el siguiente experimento de biosorción el parámetro que se
varió fue el de la concentración inicial de la solución, el cual se realizo
únicamente para el caso del plomo, dejando fija la cantidad de material
adsorbente (0.4g Lemna Gibba por 100 ml de solución). La Figura 16
muestra los datos de este experimento.
Ci[ppm] Cf[ppm] Cant.ads,
mg Pb/ glemna * 10-1 g[lemna] 0 0 5 1.31 9.225 0.40 11 2.31 21.725 0.40 16 4.23 29.425 0.40 20 4.63 38.425 0.40
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 44
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
05
1015202530354045
0 1 2 3 4 5
Concentración al equilibrio, C[F], mg/l
Cm
etal
ads
. / g
de
lem
na* 1
0-1
Pb
Figura 16. Variación de la cantidad total de metal adsorbida con respecto a la concentración
de equilibrio para el ion Pb. Sin control de pH
En el siguiente experimento de biosorción se mezclaron soluciones
de los cuatro metales (Pb, Ni, Zn, Fe). Las concentraciones de Pb, Ni y
Fe fueron a 10 ppm y de Zn fue a 1.6 ppm. La cantidad de adsorbente se
varió de 0.5g a 1.5g de Lemna Gibba por cada 100 ml. Los resultados de
este experimentos se pueden observer en las Figuras 17, 18, 19 y 20.
Tabla 11. Datos de concentración para una mezcla de soluciones patrón
CPb10ppm CNi10ppm CFe10ppm CZn1.6ppm Lemna(g)
2.24 2.82 3.28 0.9 0.5 De una muestra 2.62 2.83 3.75 1 1 que se dejo 24Hrs
3.65 3.04 4.46 1.1 1.5
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 45
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Pb
Ci[ppm] Cf*[ppm] CPb[abs/g] g(Lemna) 10 2.24 15.52 0.50 10 2.62 7.38 1.00 10 3.65 4.23 1.50
0
2
4
6
810
12
14
16
18
0 1 2 3 4
Concentración al equilibrio C[F], ppm
Cm
etal
ads
. / g
de
lem
na
Pb
Figura 17. Variación de la cantidad total de Pb adsorbida con respecto a la concentración de
equilibrio. Sin control de pH
Ni
Ci[ppm] Cf*[ppm] CNi[abs/g] g(Lemna)
10 2.82 14.36 0.50
10 2.81 7.19 1.00
10 3.04 4.64 1.50
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 46
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
02468
10121416
0 1 2 3 4
Concentración al equilibrio C[F], ppm
Cm
etal
ads
. / g
de
lem
na
Ni
Figura 18. Variación de la cantidad total de Ni adsorbida con respecto a la concentración de
equilibrio. Sin control de pH
Fe Ci[ppm] Cf*[ppm] CFe[abs/g] g(Lemna)
10 3.28 13.44 0.50 10 3.75 6.25 1.00 10 4.46 3.69 1.50
Isoterma de Adsorción
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 2 3 4 5
Concentración al equilibrio C[F], ppm
Cm
etal
ads
. / g
de
lem
na
Fe
Figura 19. Variación de la cantidad total de Fe adsorbida con respecto a la concentración de
equilibrio. Sin control de pH
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 47
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Zn Ci[ppm] Cf*[ppm] CZn[abs/g] g(Lemna)
1.6 0.9 1.40 0.50 1.6 1 0.60 1.00 1.6 1.1 0.33 1.50
0.000.200.400.600.801.001.201.401.60
0 1
Concentración al equilibrio C[F], ppm
Cm
etal
ads
. / g
de
lem
na
2
Zn
Figura 20. Variación de la cantidad total de Zn adsorbida con respecto a la concentración de
equilibrio. Sin control de pH
Los resultados obtenidos en esta parte experimental no son
concluyentes debido a que la cantidad de metal adsorbida por la lemna
no varia con la cantidad de material adsorbente como se puede observar
en la Tabla 12. Sin embargo, tampoco se midió el pH de las soluciones
antes ni después de la biosorción en estos experimentos.
De una muestra que se dejó 24 hrs.
Tabla 12. Variación de la cantidad absoluta adsorbida con respecto a la variación de la
cantidad de material adsorbente (lemna gibba).
CPb
absolutas(ppm) CNi absolutas(ppm) CFe absolutas(ppm) CZn absolutas(ppm) Lemna(g) 7.76 7.18 6.72 0.70 0.50 7.38 7.19 6.25 0.60 1.00 6.35 6.96 5.54 0.50 1.50
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 48
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 10.4.2 Biosorción con Soluciones Modelo y pH
En esta serie de experimentos de biosorción el interés estaba
centrado en observar como dicha biosorción variaba con el pH. Dejando
fija la concentración de la solución y la cantidad de Lemna, los valores
de pH variaron desde 1 hasta 5. La concentración inicial fue de 10 ppm
para todos los metales y la cantidad de material adsorbente se fijó en
0.5g/100ml. Los resultados de este experimento se pueden ver en las
Figuras 21, 22 y 23.
Ci[ppm] Cf[ppm] C[abs/g] g[lemna] pHi pHf 10 7.85 4.3 0.5 1 1.25 10 2.89 14.22 0.5 2 2.85 10 1.98 16.04 0.5 3 5.32 10 2.65 14.7 0.5 4 5.71 10 2.2 15.6 0.5 5 5.94
0
3
6
9
12
15
18
0 1 2 3 4 5 6 7
pHf
Cm
etal
ads
. (pp
m) /
g d
e le
mna
Pb
Figura 21. Cantidad de metal adsorbido vs pH para el ion Pb. 0.5 gramos Lemna en 100 ml
de solución
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 49
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Ci[ppm] Cf[ppm] C[abs/g] G[lemna] pHi pHf 10 9 2 0.5 1 1.42 10 8 4 0.5 2 2.36 10 5 10 0.5 3 4.93 10 6 8 0.5 4 5.29 10 5 10 0.5 5 5.84
02468
1012
0 1 2 3 4 5 6 7pHf
Cm
etal
ads
. (pp
m) /
g d
e le
mna
Zn
Figura 22. Cantidad de metal adsorbido vs pH para el ion Zn. 0.5 gramos Lemna en 100 ml
de solución
Ci[ppm] Cf[ppm] Cant.ads,
mg de metal/ glemna g[lemna] pHi pHf 10 9.51 0.98 0.5 1 1.13 10 8.75 2.5 0.5 2 2.49 10 7.35 5.3 0.5 3 4.72 10 7.21 5.58 0.5 4 6.05 10 7.32 5.36 0.5 5 6.07
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 50
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
0123456
0 2 4 6 8Cm
etal
ads
. (pp
m) /
g d
e le
mna
Ni
pHf
Figura 23. Cantidad de metal adsorbido vs pH para el ion Ni. 0.5 gramos Lemna en 100 ml de solución
Cabe aclarar que el pHf es el pH de la solución una vez que la biosorción
alcanza el equilibrio.
10.4.3 Isotermas de Adsorción y Desorción para Pb y Ni
Una vez encontrado el rango de pH al cual
conviene trabajar por las características de
adsorción elevada de la Lemna, se procedió a
realizar experimentación para determinar las
condiciones optimas de desorción de los iones
metalicos adsorbidos con anterioridad por la
biomasa, para esto se utilizaría una determinada
cantidad de solución de EDTA a una concentración
predeterminada (previamente elegido ya que es un
ácido que no degrada a la planta).
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 51
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Una vez filtrada la biomasa, se mide la
concentración de iones metalicos de la solución
residual en el equipo de adsorción atómica, con
el cual se calcula la cantidad de iones adsorbida
en la biomasa. Posteriormente, para despojar los
iones metálicos de esta biomasa se dividió en
cinco partes iguales a las cuales se les agrego
diferentes volúmenes de soluciones de EDTA a 0.02
M, para determinar el volumen con el cual se
tendría la mayor concentración de iones
metálicos en la solución residual, la que sería
necesaria para la etapa de electrolisis. Se
determinó que se logra el mayor nivel de
concentración de iones metálicos con 10 ml de la
solución antes mencionada , para la recuperación
de los iones de Ni y Pb, puesto que con esta
cantidad de solución es posible recuperar el 60 %
de los iones de Pb y el 40% de los iones de Ni,
con una concentración con la que ya es posible
llevar a cabo una electrolisis(aproximadamente
200ppm).
Con estos datos se realizan graficas de
adsorción y desorción para los metales que intervienen en la operación de
biosorción.
Para níquel se obtuvieron los siguientes datos los cuales pueden
mostrar que tan viable es la adsorción y la desorción.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 52
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
ADSORCIÓN DE Ni
Ci mg Ni/l Sol Cf en sol (mg Ni/ lSol) mg Ni en la totalidad
del adsorbente CAds*
g Ni/g Lemna 200 115 8.5 1.02E-02 100 59 4.1 4.94E-03 50 27.5 2.25 2.71E-03 20 12 0.8 9.64E-04
*Cantidad de iones metálicos adsorbidos por la biomasa
Isoterma de Adsorción para Ni
0.0E+00
2.1E-03
4.2E-03
6.3E-03
8.4E-03
1.1E-02
1.3E-02
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Cf* (ppm)
CA
ds g
Ni/g
Lem
na
Figura 24. Isoterma de adsorción de Ni . A un pH de 5.5 en 100 ml de solución con 0.83g de Lemna
DESORCIÓN DE Ni
Cf en sol (mg
Ni/ LEDTA) %
de recuperación mg Ni Residuo
C Des* g Ni/g Lemna 227 26.71% 6.23 7.51E-03
160.5 39.15% 2.495 3.01E-03 79.5 35.33% 1.455 1.75E-03 33 41.25% 0.47 5.66E-04
*Cantidad de iones metálicos desorbidos de la biomasa
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 53
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Isoterma de Desorción para Ni
0.0E+00
1.0E-03
2.0E-03
3.0E-03
4.0E-03
5.0E-03
6.0E-03
7.0E-03
8.0E-03
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240
Cf* (ppm)
Cde
s g
Ni/g
Lem
na
Figura 25. Isoterma de desorción de Ni. Con 0.83g de Lemna en 10ml de EDTA
(a una concentración de 0.02 M)
Para plomo se obtuvieron los siguientes datos los cuales pueden
mostrar que tan viable es la adsorción y la desorción.
ADSORCIÓN DE Pb
Ci mg Pb/l Sol Cf en sol (mg Pb/ lSol) Mg Pb en la totalidad
del adsorbente CAds *
g Pb/g Lemna 177 99.4 7.76 9.35E-03 100 66.1 3.39 4.08E-03 37.7 13.8 2.39 2.88E-03 28.2 5.2 2.3 2.77E-03 *Cantidad de iones metálicos adsorbidos por la biomasa
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 54
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Isoterma de Adsorción para Pb
0.00E+00
1.00E-03
2.00E-03
3.00E-03
4.00E-03
5.00E-03
6.00E-03
7.00E-03
8.00E-03
9.00E-03
1.00E-02
0 20 40 60 80 100 120
Concentración Final (PPm)
CA
ds g
Pb/g
Lem
na
Figura 26. Isoterma de adsorción de Pb. A un pH de 4.5 en 100 ml de solución con 0.83g de
Lemna
DESORCIÓN DE Pb
Cf en sol (mg Pb/ LEDTA) %
de recuperación
mg Pb en la totalidad
del adsorbente CDes*
g Pb/g Lemna
47.20 60.82% 3.04 6.91E-03
21.20 62.54% 1.27 2.89E-03
15.00 62.76% 0.89 2.02E-03
13.80 60.00% 0.92 2.09E-03 *Cantidad de iones metálicos desorbidos de la biomasa
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 55
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Isoterma de Desorción para Pb
0.00E+00
1.00E-03
2.00E-03
3.00E-03
4.00E-03
5.00E-03
6.00E-03
7.00E-03
8.00E-03
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Concentración * (ppm)
Cde
s g
Pb/g
Lem
na
Figura 27. Isoterma de desorción de Pb
10.5 Electrolisis
Para el proceso de electrólisis es necesario tomar en cuenta que la cantidad recuperada por este medio es la necesaria para que la solución se encuentre dentro de lo que marcan las normas ecologías, es decir, que la solución residual tenga una concentración de 1.5 ppm en el caso del plomo y de 6ppm en el caso del níquel. Dicho de otra forma, si entra al proceso una solución con 100ppm se requiere una recuperación de por lo menos 95% para que mediante recirculaciones la concentración de la soluciones sea aproximadamente la concentración que marca la norma ecológica.
Sin embargo al momento de realizar las correspondientes pruebas de electrolisis se tuvieron los siguientes resultados:
i) En un primer experimento, se trabajo con un electrodo de
acero inoxidable, pero se observo que este tendía a disolverse (se empezaba a oxidarse) en una solución de EDTA de 0.02 M
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 56
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
ii) El electrodo elegido para llevar a cabo la electrólisis fue el de carbón vítreo puesto que este no se oxida en la solución de EDTA
iii) Al llevar a cabo la electrólisis, sin embargo, se observó que no se depositaba ninguno de los dos metales (plomo y níquel), antes de que se redujera el medio (solución acuosa de EDTA). Dado que termodinámicamente el plomo y el níquel se debe reducir a potenciales menos negativos que los impuestos, se concluye que el proceso no está limitado por la termodinámica si no por la cinética de la reacción, es decir, que se necesita mayor potencial para alcanzar la energía mínima para que la reacción se lleve a cabo (energía de activación). Lo anterior se resume en las graficas del Apéndice donde se puede observar que el medio produce el mismo comportamiento en el voltamperograma con o sin metal presente.
iv) Cabe mencionar que este proceso todavía se tiene que estudiar más a fondo para poder determinar el electrodo más conveniente y el potencial óptimo para llevar a cabo la electrodepositación, ó en su defecto, un agente reductor adecuado.
11. Diseño de equipo Se tiene un flujo de 67 litros/día ó 0.0465 Litros/Minuto, la
cantidad de plomo que se quiere recuperar en el presente proceso es de
100 mg/litro = 100 ppm.
Si la regeneración de la Lemna es diario (o sea cada 24 horas) se
tendría:
díagdePb
mgg
díalt
ltmg 7.6
1000167100 =
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 57
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Si se considera que el 70% del lecho de Lemna está en equilibrio
con una concentración de 100 ppm y el 30 % restante con 50 ppm.
Entonces con los datos obtenidos del isoterma de adsorción del plomo
(Figura 26) se tiene:
glemnagPb
glemnagPb
glemnagPb 333 106.7)104.3)(30.0()104.9)(70.0( −−− ×=×+×
Este último valor es la carga promedio del lecho, por lo que la
cantidad de Lemna requerida es:
3
6.7 8827.6 10
g Pb g lemnag Pbg lemna
−=
×
Haciendo las mismas consideraciones de flujo y de equilibrio
utilizadas en el caso del plomo, es decir un flujo de 67 lt/día y 70% del
lecho de lemna en equilibrio con 100 ppm y el 30% restante en equilibrio
50 ppm, y utilizando los datos del isoterma de adsorción del níquel se
tiene:
glemnagNi
glemnagNi
glemnagNi 333 1042.7)102.4)(3.0()108.8)(70.0( −−− ×=×+×
Este último valor, al igual que en el caso del plomo, es la carga promedio
del lecho, por lo que la cantidad requerida de lemna es:
glemna
glemnagNi
gNi 9031042.7
7.63
=× −
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 58
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
La torre de adsorción que se propone es de lecho fluidizado y, debido a las características particulares del lecho a utilizar (la Lemna Gibba tiende a flotar), de lecho suspendido inverso. El flujo alimentado a la torre debe ser capaz de hacer fluir a la Lemna dentro del volumen en que se encuentra, es decir, que exista turbulencia suficiente en la torre de adsorción para que el adsorbente (Lemna gibba) circule a lo largo de la torre y no forme un tapón en la parte superior de la misma. Por esta misma razón, se eligió el diámetro de la torre, de 19 cm. Esta elección se hizo entre las diferentes medidas (diámetros) de tubos de plexiglás que existen en el mercado y tomando en cuenta las pruebas de fluidización que se hicieron en el laboratorio. Estas pruebas fueron el observar como fluía el lecho a diferentes diámetros de tubo.
Se estimó, mediante pruebas preliminares de laboratorio, que el flujo necesario para mantener el lecho fluidizado en la torre de adsorción debe ser de aproximadamente 15 litros por minuto.
En pruebas de laboratorio se estimó que para mantener fluidizados 10g de Lemna es necesario añadirle agua hasta alcanzar un volumen total, de Lemna y agua, de 550 ml.
A partir de estos datos se puede extrapolar para la cantidad de Lemna que es necesaria en la torre de adsorción (entre 800g y 900g aproximadamente) y el volumen requerido para cada metal es de aproximadamente 50 lt: Con estos últimos datos, y el diámetro del tubo a emplear, podemos calcular la altura de la torre: V = π r2 L , en donde V: volumen de la torre r: radio de la torre L: altura de la torre
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 59
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa (Para el caso del plomo) r = 9.5cm V =48.5 dm3 L = V/π r2 = 48.5 dm3 / π (9.5cm)2 L = 1.71 m (Para el caso del níquel) r = 9.5cm V =49.7 dm3 L= V/π r2 = 49.7 dm3 / π (9.5cm)2
L= 1.75 m 12. Descripción del Proceso El proceso consiste de las siguientes etapas:
Al tanque de almacenamiento se le agrega una solución amortiguadora para regular el pH de acuerdo a las especificaciones de tratamiento. A esta solución se le bombea hasta la torre de adsorción, donde al pasar por un aspersor a la entrada de la torre, y con la magnitud del flujo con que entra a ésta, se produce un efecto de turbulencia en la misma lo cual hace que se tenga un lecho suspendido inverso. Al salir de la torre puede llevarse para servicios o directamente al drenaje general.
Para llevar a cabo la recuperación de los metales es necesario utilizar EDTA a 0.02 M el cual se encuentra en un tanque de almacenamiento el cual puede ser bombeado por otra bomba hasta la torre de adsorción. Una vez que se han desorbido los iones metálicos del lecho de Lemna, la solución es enviada hasta el tanque de electrólisis para recuperar los metales.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 60
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
En particular este procedimiento está diseñado para la recuperación de Níquel y Plomo, con posibles aplicaciones para la recuperación de otros metales.
Figura28. Diagrama del proceso para la biosorción de Ni y Pb con la biomasa
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 61
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
Figura 29.Diagrama del proceso para la recuperación (desorción) de Ni y Pb con la biomasa
13. Análisis Económico
Para realizar el análisis económico del presente proyecto se
requieren los siguientes equipos y materiales y considerar los siguientes
costos: Equipo Costo Cantidad Precio total
Bomba de 17.5 Lts/Min
$ 2,625.00 2
Electrodo de Carbón-vítreo u otro material
$ 13,500.00 1
EDTA $ 165.00 Tanques, accesorios
y torres $ 910.00
Total $ 19,825.00
Dentro de los costos de operación van incluidas los costos de
electricidad ocupados por los equipos de electrolisis y las bombas.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 62
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 14. Conclusiones
El proceso de recuperación de metales de soluciones acuosas, en
particular el plomo y el níquel, mediante biomasa (Lemna Gibba) ha
resultado ser un proceso relativamente simple, desde el punto de vista
técnico, y costeable comparado con el costo del procedimiento que
actualmente emplean las empresas que requieren deshacerse de aguas
residuales que contienen iones metálicos. A esta conclusión se llegó por
las siguientes razones:
i) El adsorbente empleado (Lemna Gibba) es sencillo de manejar y
no requiere de inmovilización como sucede con otro
adsorbentes biológicos empleados para el mismo fin (algas y
desechos de sorgo).
ii) El adsorbente empleado es más sencillo de manejar, y el equipo
empleado es de menor volumen, que si se empleara la planta
viva (Lemna Gibba) ya que en este caso se necesitan estanques
para el tratamiento.
iii) Los tiempos de saturación son relativamente cortos (alrededor
de 30 minutos)
iv) El equipo empleado no es mucho ni voluminoso (las bombas
propuestas son pequeñas tanto en tamaño como en potencia, la
torre de adsorción no alcanza los dos metros de altura, los
tanque de almacenamiento no son grandes, etc.)
v) La capacidad de adsorción de la Lemna Gibba es mayor o igual
a otros adsorbentes biológicos utilizados para el mismo fin
,algas y desecho de sorgo (se compararon los datos obtenidos
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 63
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
con los datos de los artículos en donde se tratan el tema de
biosorción con algas y desechos de sorgo)
vi) La desorción con EDTA dio buen resultado debido a que
variando la cantidad del mismo se puede lograr soluciones
concentradas necesarias para el proceso de electrólisis.
vii) Con EDTA se daña menos a la Lemna Gibba que si se emplea
otro tipo de ácido (como HNO3 o HCL, este empleado en los
trabajos realizados con desecho de sorgo), Lo anterior permite
reutilizarla.
viii) El costo de la Lemna Gibba es relativamente bajo puesto que
solo se tiene que considerar el costo de recolección y transporte
ix) El costo del equipo no es alto debido a que son equipos
pequeños, por ejemplo la potencia de la bomba es menor a
medio caballo de fuerza.
x) Como se pretende que el EDTA se reutilice, esto implica que
los costos sean bajos.
xi) El costo global del proceso es menor al costo anual que se
cobrar a las empresas por confinar sus aguas residuales
$19,825.00 del proceso propuesto contra $55,000.00 del costo
anual por confinamiento), incluyendo incluso una estimación
del costo de la electrolisis
Finalmente cabe mencionar que este proyecto no debe considerarse
concluido, puesto que todavía falta abundar no solo en la electrólisis sino
también en trabajar en la biosorción con otros metales, como cromo,
plata, oro entre otros que pudieran tener no solo un interés en cuanto a
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 64
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa cumplir las normas ecológicas sino también un interés comercial,
principalmente en cuanto a metales preciosos. Otro rubro en el que se
podría trabajar es en el diseño de la torre de adsorción en particular
mejorar la fluidización del lecho. Por ejemplo podría probarse el
introducir en el flujo de alimentación a la torre aire que contribuya a
crear la turbulencia necesaria dentro de la torre.
Por el momento y de acuerdo con los experimentos de electrolisis
(es decir, los metales no se recuperan a las condiciones de el
experimento), la lemna junto con los metales adsorbidos será confinada.
La ventaja que se ofrece es que la lemna ocupa menos volumen que las
aguas que se confinaban al principio del proceso de las industrias
metalmecánica (las empresas pagan por volumen de desechos), además
de que es menor el peso de ésta (lemna ) que las del agua.
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 65
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa REFERENCIAS
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de acabados metálicos, Julio 1992. 2. Salvat editors, Como Funciona, 1980, Desalinización del Agua. 3. Cuautle, N., Ravelo, J. y Lopéz, F.; “Recuperación de Cromo de las
Aguas Residuales de la Industria de Acabados Metálicos”, Proyecto Terminal en Ingeniería Química, UAM-Iztapalapa, 2002.
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Diario Oficial de la Federación el 3 de Junio de 1998). 6. www.centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/departamentos/DfyQ/energ
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11. Anders, B.N.y Perrson,H., (1984), Acumulation of Heavy-Metal Ions by zoogloea ramigera. Biotech. And Bioeng., 26, 239-246.
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ozonización y estudio de sus propiedades de intercambio iónico”, Tesis doctoral, Noviembre de 1999, UAM-Iztapalapa.-
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 66
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
APENDICES APENDICE A - Aspectos generales
PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS Y TOXICOLOGICAS DEL
PLOMO
Propiedades Físicas
El plomo es un metal denso (pesado), blando, maleable, dúctil de
color grisáceo, muy brillante cuando es cortado, pero que se oxida con
mucha rapidez volviéndose de color gris mate, siendo también opaco a
los rayos X. Funde a 327°C, generando vapores de alta toxicidad. En la
naturaleza se encuentra en forma abundante en forma de galena (sulfuro
de plomo).
Propiedades Químicas
El plomo es un elemento químico del grupo IV de la tabla
periódica, su número atómico es 82 y su masa atómica es 207.19.
Prácticamente, todos los compuestos corrientes de plomo
corresponden al estado de oxidación 2+, llamado plumboso. Cuando
aumenta la concentración del anión halogenuro en las soluciones de
plomo 2+. Se forma el correspondiente halogenuro de plomo 2+
insoluble. En exceso de halogenuro, el precipitado se redisuelve, quizá
Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 67
Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa por formarse iones complejos de los tipos PbCl3
- y PbBr42-. A diferencia
de otros dos cloruros insolubles comunes, AgCl y Hg2Cl2. el PbCl2 se
disuelve calentando su solución saturada. El PbCl2 se separa de los otros
precipitados por lavado con agua caliente. Se confirma la presencia de
plomo tratando la solución obtenida con dicromato de potasio y ácido
acético, con lo que se logra un precipitado amarillo de cromato de plomo.
Cuando al catión Pb2+ se le añade una base, se precipita Pb(OH)2
de color blanco. Por ser anfótero, se disuelve en un exceso de base,
originando el trihidroxoplumbato(II), Pb(OH)3- , que es estable en
solución.
Como la mayor parte de los aniones divalentes, el catión Pb2+
forma sales insolubles: sulfato (PbSO4), carbonato (PbCO3), sulfuro
(PbS); cromato (PbCrO4) e hidrogenofosfato (PbHPO4), entre otras. El
sulfuro es la más insoluble de todas estas sales, por lo que, en presencia
del sulfuro, S2-, las restantes reaccionan dando dicho sulfuro.
El principal compuesto de plomo 4+ es el dióxido, PBO2, y se
obtiene oxidando el Pb(OH)3- con hipoclorito en solución básica. En
soluciones ácidas, el dióxido de plomo es un poderoso oxidante y se
torna todavía más potente en presencia de ácido concentrado y de
aniones capaces de precipitar el catión Pb2+. En soluciones básicas muy
concentradas, el PbO2 se disuelve formando plumbatos, como PbO44-,
PbO32- , Pb(OH)6
2-.15
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Propiedades Toxicologícas
El plomo y sus compuestos son tóxicos para los seres vivos,
produciendo en el hombre la grave enfermedad llamada saturnismo. Es
un contaminante importante y tiende a acumularse en los seres vivos.
El plomo es absorbido por inhalación, ingestión y a través de la
piel. La vía de ingreso, el tamaño de la partícula y el tipo de compuesto
de plomo (orgánico o inorgánico), determinan la concentración y la
posibilidad de difusión del plomo hacia el organismo, tales como edad, el
estado fisiológico y la integridad de los tejidos. También es importante
considerar factores nutricionales y metabólicos.
La concentración permisible máxima en el aire es 0.2 mg/m3. . Se
estima que la absorción total diaria de plomo en la población no
ocupacional expuesta varía de 150 a 300 µg, siendo un bajo porcentaje
de esto por el aire inhalado y el restante por alimentos.
Diversos estudios han reconocido los efectos nocivos de la
contaminación plúmbica en la salud humana. Los síntomas de toxicidad
por plomo son: diversos grados de anemia, cuando se alcanzan niveles de
plomo en sangre alrededor de 50 µg/dl, fatiga, anorexia, palidez, astenia,
irritabilidad, alteraciones del sueño, cambios bruscos de conducta y
retardo mental. Síntomas más serios son torpeza motora, ataxia, dolor
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa abdominal, vómitos, constipación y alteraciones de conciencia debido a
encefalopatía.
La exposición crónica a niveles altos de plomo en sangre, se asocia
a alteraciones neurofisiológicas, electroencefalográficas, defectos en la
audición y disminución en la velocidad de conducción nerviosa.
Cuando los niveles sobrepasan los 70 µg/dl, la intoxicación puede
provocar coma cerebral y muerte8.
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa APENDICE B - Métodos para fijar la biomasa con el objeto de proporcionarle estabilidad y propiedades mecánicas satisfactorias Injertar la biomasa en polímeros sintéticos, como el poliestireno.
Atraparla en materiales inorgánicos u orgánicos como silica gel o resinas sintéticas, respectivamente. Ligamento a un acarreador adecuado. Entrecruzamiento, como un caso especial de ligamiento. Diferentes métodos de entrecruzamiento pueden ser aplicados usando: Aldehídos o sus mezclas con urea, melanina, amidas, etc. Formación de ésteres polisacáridos con ácido dicarboxilico u otros ácidos orgánicos. Ketonas vinílicas, divinil sulfona, cromatos, etc. Epóxidos o bisepóxidos, diclorohidroxinas, etc. Reacciones de polisacárido modificado con diaminas, alcanodioles, etc.
Al observar las isotermas de biosorción se encuentra que los
mejores resultados se han obtenido, para el caso de la inmovilización de
Aschophyllum nodosum, con el entrecruzamiento usando divinil sulfona
y formaldehído bajo condiciones ácidas, mientras que la isoterma de
biosorción obtenida usando silica gel resulta ser muy inferior a las otras9.
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa APENDICE C - Tipos de Tratamiento de Aguas Residuales.
Hay distintos tipos de tratamiento de las aguas residuales para
lograr retirar contaminantes. Se pueden usar desde sencillos procesos
físicos como la sedimentación, en la que se deja que los contaminantes se
depositen en el fondo por gravedad, hasta complicados procesos
químicos, biológicos o térmicos. Entre ellos, los más usuales son:
a) Físicos
• Sedimentación.
• Flotación.- Natural o provocada con aire.
• Filtración.- Con arena, carbón, cerámicas, etc.
• Evaporación. •Adsorción.- Con carbón activo, zeolitas, etc.
• Desorción (Stripping). Se transfiere el contaminante al aire (ej.
amoniaco).
• Extracción.- Con líquido disolvente que no se mezcla con el agua.
b) Químicos
• Coagulación-floculación.- Agregación de pequeñas partículas
usando coagulantes y floculantes (sales de hierro, aluminio,
polielectrolitos, etc.)
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
• Precipitación química.- Eliminación de metales pesados
haciéndolos insolubles con la adición de lechada de cal, hidróxido
sódico u otros que suben el pH.
• Oxidación-reducción.- Con oxidantes como el peróxido de
hidrógeno, ozono, cloro, permanganato potásico o reductores como
el sulfito sódico.
• Reducción electrolítica.- Provocando la deposición en el electrodo
del contaminante. Se usa para recuperar elementos valiosos.
• Intercambio iónico.- Con resinas que intercambian iones. Se usa
para quitar dureza al agua.
• Osmosis inversa.- Haciendo pasar al agua a través de membranas
semipermeables que retienen los contaminantes disueltos.
c) Biológicos.
Usan microorganismos que se nutren con diversos compuestos de
los que contaminan las aguas. Los flóculos que se forman por agregación
de microorganismos son separados en forma de lodos.
• Lodos activos.- Se añade agua con microorganismos a las aguas
residuales en condiciones aerobias (burbujeo de aire o agitación de
las aguas).
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
• Filtros bacterianos.- Los microorganismos están fijos en un soporte
sobre el que fluyen las aguas a depurar. Se introduce oxígeno
suficiente para asegurar que el proceso es aerobio.
• Biodiscos.- Intermedio entre los dos anteriores. Grandes discos
dentro de una mezcla de agua residual con microorganismos
facilitan la fijación y el trabajo de los microorganismos.
• Lagunas aireadas.- Se realiza el proceso biológico en lagunas de
grandes extensiones.
• Degradación anaerobia.- Procesos con microorganismos que no
necesitan oxígeno para su metabolismo.
Niveles de Tratamiento
Las aguas residuales se pueden someter a diferentes niveles de
tratamiento, dependiendo del grado de purificación que se quiera. Es
tradicional hablar de tratamiento primario, secundario, etc, aunque
muchas veces la separación entre ellos no es totalmente clara. Así se
pueden distinguir:
a) Pre-Tratamiento.
Es un proceso en el que usando rejillas y cribas se separan restos
voluminosos como palos, telas, plásticos, etc.
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa b) Tratamiento Primario.
Hace sedimentar los materiales suspendidos usando tratamientos
físicos o fisico-químicos. En algunos casos dejando, simplemente, las
aguas residuales un tiempo en grandes tanques o, en el caso de los
tratamientos primarios mejorados, añadiendo al agua contenida en estos
grandes tanques, sustancias químicas quelantes que hacen más rápida y
eficaz la sedimentación. También se incluyen en estos tratamientos la
neutralización del pH y la eliminación de contaminantes volátiles como
el amoniaco (desorción). Las operaciones que incluye son el desaceitado
y desengrase, la sedimentación primaria, la filtración, neutralización y la
desorción.
c) Tratamiento Secundario.
Elimina las partículas coloidales y similares. Puede incluir
procesos biológicos y químicos. El proceso secundario más habitual es
un proceso biológico en el que se facilita que bacterias aerobias digieran
la materia orgánica que llevan las aguas. Este proceso se suele hacer
llevando el efluente que sale del tratamiento primario a tanques en los
que se mezcla con agua cargada de lodos activos (microorganismos).
Estos tanques tienen sistemas de burbujeo o agitación que garantizan
condiciones aerobias para el crecimiento de los microorganismos.
Posteriormente se conduce este líquido a tanques cilíndricos, con sección
en forma de tronco de cono, en los que se realiza la decantación de los
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa lodos. Separados los lodos, el agua que sale contiene muchas menos
impurezas.
d) Tratamientos más Avanzados.
Consisten en procesos físicos y químicos especiales con los que se
consigue limpiar las aguas de contaminantes concretos: fósforo,
nitrógeno, minerales, metales pesados, virus, compuestos orgánicos, etc.
Es un tipo de tratamiento más caro que los anteriores y se usa en casos
más especiales: para purificar desechos de algunas industrias,
especialmente en los países más desarrollados, o en las zonas con escasez
de agua que necesitan purificarla para volverla a usar como potable, en
las zonas declaradas sensibles (con peligro de eutrofización) en las que
los vertidos deben ser bajos en nitrógeno y fósforo, etc3.
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa APENDICE D – Electrólisis
En este apéndice se muestran las graficas que se obtuvieron en la
electrólisis realizada en soluciones de EDTA, de EDTA con iones de
plomo y de EDTA con iones de níquel y de EDTA solo. En las cuales se
pueden observar los resultados antes mencionados
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
GRAFICO DE ELECTROLISIS DE Pb
-0.000025
-0.00002
-0.000015
-0.00001
-0.000005
0
0.000005
0.00001
-1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6
200red
300red
400red
500red
600red
700red
800red
900red
1000red
1200red
EDTA
En este grafico se muestra la comparación entre la solución de
EDTA solo y la solución de EDTA con plomo, se observa que no se
deposita el plomo. Realmente lo que sucede es que se reduce el medio es
decir la solución acuosa de EDTA. (la línea negra es el EDTA y las otras
líneas son de la solución de EDTA con iones de plomo)
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Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa
GRAFICO DE ELECTROLISIS DE Ni
-0.000025
-0.00002
-0.000015
-0.00001
-0.000005
0
0.000005
0.00001
-1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6
200red
300red
400red
500red
600red
700red
800red
900red
1000red
EDTA
Este gráfico representa la comparación de la solución de EDTA
solo (línea color vino) y la solución de EDTA con níquel (las demás
líneas) , se observa lo mismo que en la solución anterior que se reduce el
medio y que no hay depositación de níquel.
De acuerdo con estos resultados se concluye que se deben realizar
más experimentos para encontrar el material de electrodo adecuado.
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