Alternativas de solución para el tratamiento de efluentes textiles

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MEXICO

ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PARA EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES

TEXTILES

ESPECIALIDAD: Ingeniería Textil

Alejandra Alicia Peláez Cid Doctora en Ciencias Químicas

Area de Fisicoquímica

31/Octubre/2013 Puebla, Pue., México

ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PARA EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES TEXTILES

CONTE NIDO

Resumen ejecutivo

3

CAPÍTULO

1 Introducción.... .............. . .............. . ............................. 4 2 Problemática en la industria textil........................8 3 Técnicas de tratamiento de efluentes textiles 12 4 Adsorción... .............. . ............... . ................................. 21

Conclusiones ................... . ..................... . ....... .. .... .... ..36 Referencias... ........... ......... ... ................................. .. ... 37 Bibliografía...... ..... . .... . ........................... . . ................... 39 Agradecimientos ........ . . ............................................. 40 Currículum vitae del candidato..............................41

ANEXOS

1 Abreviaturas ........ . ...................................................... 42 II Lista de tablas ....... . ..................................... . ............ .43 III Lista de figuras ........................ .. ....................... . ....... 44

L

Especialidad: Ingeniería Textil 2


RESUMEN EJECUTIVO.

En este trabajo se sugieren alternativas de solución en el tratamiento de efluentes textiles que contienen colorantes. Después de definir los parámetros generales que permiten cuantificar la calidad de las aguas residuales, son descritas de manera breve, las diversas técnicas físicas y químicas que pueden utilizarse para disminuir la coloración de las aguas residuales procedentes de las empresas textiles, así como las ventajas y desventajas de cada una de ellas en particular.

Posteriormente se hace énfasis en las ventajas que ofrece el proceso de adsorción como técnica de tratamiento, proponiendo la utilización de adsorbentes naturales de bajo costo. El carbón activado es el adsorbente tradicionalmente utilizado en la eliminación de contaminantes por lo que también se presenta la alternativa de su preparación utilizando como precursores desechos vegetales ligno-celulósicos. Se presentan resultados concretos de remoción de colorantes, los cuales fueron obtenidos de la experimentación realizada con efluentes textiles de empresas nacionales, utilizando tanto adsorbentes naturales como carbones activados preparados a partir de desechos vegetales abundantes en México.

Finalmente se muestra, cómo la combinación de dos técnicas de tratamiento, como son la coagulación-floculación y la adsorción, pueden mejorar sustancialmente la calidad de un efluente textil, al lograr eliminar completamente el colorante presente y reducir su DQO hasta un 93w/o. Estos resultados permiten sugerir que con la implementación de la adsorción, como la principal técnica de tratamiento económicamente viable, se obtiene la remoción del color en los efluentes textiles para lograr construir circuitos cerrados de aprovechamiento del agua, reduciendo costos y haciendo un uso sustentable de este importante recurso natural.

PALABRAS CLAVE.

Colorantes textiles, Tratamiento de efluentes textiles, Adsorción, Adsorbentes naturales, Carbón activado, Coagulación -Floculación, Calidad del agua.

Especialidad; Ingeniería Textil 3


INTRODUCCIÓN

La industria textil tiene como objetivos: estudiar, planificar, desarrollar e implementar técnicas que permitan mejorar la calidad y competitividad de sus productos así como la productividad de todos sus procesos.

La realización de cada uno de sus procesos, ya sea hilatura, tejido, confección, teflido o acabados, implica el consumo de diversos materiales, agua y energía, así como la generación de residuos sólidos, líquidos o gaseosos. Específicamente como resultado de las operaciones de tefido se producen efluentes altamente coloridos, los cuales afectan negativamente la vida acuática cuando son descargados a ríos y lagos sin un tratamiento previo.

Como ingenieros consientes del deterioro ambiental, comprometidos con la sustentabilidad de México, podemos agregar un nuevo objetivo a nuestra práctica profesional. Este objetivo es proponer e implementar soluciones eficaces y económicas, para el tratamiento de los efluentes generados, las cuales disminuyan y resuelvan los problemas de contaminación durante la operación de las fábricas textiles, sin que impacten de manera negativa en los costos de producción.

La industria textil consume grandes volúmenes de agua, aproximada-mente 100 L de agua por kg de tela tefida (R. Sivaraj, 2001), y productos químicos para el acondicionamiento de los textiles mediante los llamados procesos húmedos. Los reactivos químicos empleados son muy diversos en cuanto a composición química, se utilizan agentes tensoactivos, polímeros, así como compuestos inorgánicos y orgánicos, sobresaliendo el uso de colorantes.

La presencia de colorantes aún a bajas concentraciones en los efluentes es muy visible e indeseable. En las corrientes, el color afecta la naturaleza del agua e inhibe la penetración de la luz solar reduciendo la fotosíntesis. Existen comercialmente más de 100,000 colorantes (Ó. Tunç, 2009) disponibles con una producción anual de más de 7x10 8 kg, de los cuales la industria textil es la mayor consumidora con el SO% de la producción mundial (A.A. Peláez Cid, 2008). Debido a su compleja estructura química y origen sintético, los colorantes son resistentes a la decoloración por exposición a la luz, al calor, al agua, a los detergentes y a muchos productos químicos. Existen muchas variedades de colorantes, según el Colour Index (CI) y en función de su forma de

EspeceIidad: Ingeniería Textil 4


aplicación, se clasifican como: Ácidos, básicos, directos, dispersos, con brillo fluorescente, para piel, mordientes, pigmentos, reactivos, solvente, azufrados y cuba.

Considerando la estructura química del grupo funcional responsable de impartir color a la molécula de colorante (cromóforo), el CI los clasifica en: Azo, azoicos, nitrosos, nitro, antraquinona, triarilmetano, metino, azina, oxacina, indigo, ftalocianina, estilbeno, xanteno, acridina, quinolina, tiazol y tintes de complejos metálicos. Hay muchas variedades estructurales de colorantes que caen dentro de los tipos: catiónico, aniónico y no iónico. Los colorantes catiónicos son los básicos. Los colorantes directos, ácidos y reactivos tienen un carácter aniónico. Los colorantes no jónicos son los colorantes dispersos porque no ionizan en un medio acuoso.

El poliéster, la fibra sintética con mayor producción (45.3%) a nivel mundial se tiñe regularmente con colorantes dispersos. El algodón, la fibra natural más utilizada (35.7%) en la actualidad (Oerlikon Textile, 2010), puede ser teñida con colorantes directos, o cuba y reactivos para lograr altas solideces. Según estas cifras, es de esperarse que las cuatro clases de colorantes antes mencionadas se encuentren con más frecuencia y en mayor cantidad en los efluentes textiles.

Los colorantes dispersos son moléculas no iónicas, con cromóforos azo y antraquinona, insolubles en agua, se utilizan en fibras hidrófobas (poliéster, poliamida, acetato o acrílico) como dispersiones acuosas finas, a menudo se aplican a alta temperatura y presión. Los colorantes directos azo y ftalocianina, son moléculas aniónicas solubles en agua, se utilizan para algodón, rayón, papel, piel y nylon, se aplican en baños neutros o ligeramente alcalinos que contienen electrólitos. Los colorantes reactivos presentan grupos azo o antraquinona como cromóforos además de grupos reactivos, como el vinilsulfonil o dicloro-triazinil, éstos forman enlaces covalentes con la fibra de algodón bajo la influencia del calor y un pH alcalino. Casi el 45% de todos los colorantes textiles producidos anualmente pertenece a la clase reactiva como consecuencia del uso intensivo de estos colorantes para el teñido de celulosa y viscosa (Ó. Tun(;, 2009). Los colorantes cuba son insolubles en agua, se aplican principalmente a las fibras celulósicas en su forma leuco (incolora y soluble) después de su reducción en un baño alcalino con hidrosulfito de sodio. Posterior al agotamiento sobre la fibra, las formas leuco se reoxidan a las formas insolubles. Las principales clases químicas de colorantes cuba son antraquinona e indigoide.

Especialiddd: Ingeniería Textil 5


Durante el proceso de teñido, cierta cantidad del colorante no es capaz de interaccionar con el sustrato textil, permaneciendo en el baño de tintura. El grado de fijación estimado de los colorantes dispersos en poliéster es de 90-100%, para los directos en algodón de 75-90%, para los cuba en fibras celulósicas de 8095% y para los colorantes reactivos también en algodón de 50-90% (C. O'Neill, 1999). Estos valores nos indican que siempre hay pérdidas de colorantes en los efluentes. Claramente puede apreciarse que son los colorantes reactivos los que pasan al ambiente en mayor proporción y que además han perdido su capacidad de enlazar covalentemente con las fibras celulósicas al encontrarse en su forma hidroxilada.

Muchos colorantes son inocuos y no tóxicos a las concentraciones descargadas dentro de los cuerpos de agua receptores. Sin embargo, la preocupación surge, porque una gran cantidad de colorantes se sintetizan a partir de compuestos carcinogénicos o mutagénicos tales como la bencidina y otros compuestos aromáticos, liberando al degradarse en el ambiente estos compuestos tóxicos. En 1987 Weber y Wolfe demostraron que los cromóforos azo y nitro se reducen en los sedimentos. De manera similar en 1978 Chung et al. estudiaron la reducción de colorantes en el ambiente intestinal de los peces, lo que resulta en la formación de aminas tóxicas. Los colorantes antraquinónicos son más resistentes a la degradación debido al acoplamiento estructural de sus tres anillos aromáticos. También ha sido demostrada la capacidad de bioacumulación de algunos colorantes dispersos (T. Robinson, 2001).

A nivel mundial los gobiernos, mediante la promulgación de leyes y normas sanitarias, realizan intentos para obligar a los productores a minimizar los daños al ambiente, concientizar a la población y proteger a los usuarios y consumidores sobre el impacto toxicológico de los colorantes.

En un estudio de la ETAD más del 90% de los aproximadamente 4,000 colorantes probados presentaron valores LD50 (Dosis Letal) superiores a 2x10 3 mg/kg, encontrándose que los índices más altos de toxicidad los presentaron los colorantes básicos y los diazo directos (T. Robinson, 2001).

La legislación de los gobiernos es cada vez más estricta, especialmente en los países desarrollados, por lo cual las grandes empresas textiles optan por establecer sus fábricas en países en vías de desarrollo, como el nuestro, cuyas leyes son más laxas, generando serios y visibles problemas de contaminación en los cuerpos de agua receptores.

Especialidad: Ingenieria Textil 6


El propósito de este trabajo es presentar las alternativas de solución para el tratamiento de efluentes textiles que contienen colorantes, las características de los métodos químicos y físicos, sus ventajas y desventajas. Dando especial atención al proceso de adsorción, las nuevas tendencias en la producción de adsorbentes y la combinación de diferentes técnicas de tratamiento para el mejoramiento de la calidad del agua.

vi



PROBLEMÁTICA EN LA INDUSTRIA TEXTIL

La industria textil al igual que otras industrias debe vencer numerosos retos para lograr transformar las materias primas en productos útiles para la sociedad. La problemática para lograr sus objetivos es muy variada y depende de cada empresa en particular. Sin embargo problemas comunes a todas las empresas son: el suministro de agua y la disposición de los efluentes generados durante la producción.

No obstante que los sistemas aéreos, terrestres y acuáticos pueden ser impactados negativamente por las actividades textiles, el mayor impacto recae en el agua, debido a que los procesos de tefido utilizan grandes volúmenes de agua y elevadas cantidades de colorantes y productos químicos que sirven como auxiliares de tefido durante la coloración de las telas y prendas por comercializar.

La calidad del agua puede evaluarse en términos de su temperatura, pH, color, conductividad eléctrica, contenido de sólidos, DQO (demanda química de oxígeno) y DBO (demanda bioquímica de oxígeno).

El aumento de temperatura disminuye la solubilidad de los gases, como el oxígeno (02) y aumenta, en general, la de las sales. Aumenta la velocidad de las reacciones y el metabolismo, acelerando la putrefacción.

El potencial Hidrógeno (pH) mide la acidez o basicidad del medio acuoso. El pH típicamente va de O a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 y básicas las que tienen pH mayores a 7. El pH igual a 7 indica la neutralidad de la disolución.

La conductividad eléctrica mide la cantidad de sales presentes en el agua. La unidad de medida es el Siemens/cm (S.cm). Este parámetro se puede reducir solamente mediante un sistema de filtración a través de membranas semipermeables.

Los sólidos presentes en un agua pueden estar en suspensión o disueltos. Específicamente en el caso de los efluentes textiles, los colorantes del tipo ácido, básico, directo y reactivo se encuentran disueltos y los colorantes dispersos y cuba en suspensión.

Por definición la DQO es la cantidad de oxígeno disuelto consumida por un agua residual durante la oxidación por vía química provocada por un

Especialidad: Ingeri ¡ ería Textil 8


agente químico fuertemente oxidante. Es una medida de la cantidad de materia orgánica presente en el agua, se mide en mg/L o ppm. La DQO no mide toda la materia orgánica presente en el agua, sino sólo aquella fracción que se puede oxidar mediante un potente agente oxidante, como es el dicromato de potasio (K 2Cr207 ) en medio ácido. La DQO es la medida de contaminación más utilizada, entre otros motivos, por su rapidez de ejecución, aproximadamente 3 horas.

La 11911305 es la cantidad de 02 disuelto consumida por un agua residual durante la oxidación por vía biológica de la materia orgánica biodegradable presente en dicha agua residual, bajo las siguientes condiciones de ensayo: 20 °C, presión atmosférica, oscuridad y muestra diluida con agua pura manteniendo condiciones aerobias durante la prueba, durante un período de cinco días. La DBO5 al igual que la DQO es una medida de la cantidad de materia orgánica presente en el agua, pero en este caso sólo aquella que es biodegradable.

Frecuentemente los cambios en los colorantes empleados en el proceso de tefiido causan considerables variaciones en las características del agua residual, particularmente el pH, color y la concentración de la DQO.

En la tabla 1 se muestra la calidad de efluentes textiles conteniendo diferentes tipos de colorantes, se observa que su calidad es muy variable y esta depende en gran medida del tipo de colorante utilizado.

Tabla 1. calidad del agua residual conteniendo diferentes tipos de colorantes. Tipo de

T' ' H Conductividad Sólidos totales DQO

Colorante (ms/cm) (mg/L) (mg/L) Verde Directo 50 9.2 54.8 50,330 652 Azul Directo 50 10.4 31.1 39 1 780 786 Azul Reactivo 40 11.5 46.9 30 1 290 3651 Rojo Reactivo 40 11.1 28.4 19,320 822 Gris cuba 40 11.9 13.5 11 1 140 3360 Negro Cuba 40 8.7 8.6 17 1 590 19740

Si se comparan algunos de los parámetros de los efluentes textiles con las que fija la NORMA Oficial Mexicana NOM-002-ECOL-1996, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal. Por ejemplo el límite máximo permisible de la temperatura es de 40 °C, el cual en algunos casos es rebasado. Con respecto al pH, que



según la tabla 1 oscila entre 11.9 y 8.7, también se rebasa, ya que la norma establece que el intervalo permisible de pH en las descargas de aguas residuales es de 10 y 5.5 unidades. La DQO debe encontrarse entre 200 y 240 mg/L, según la NORMA Oficial Mexicana NOM-CCA-014-ECOL/1993, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a cuerpos receptores provenientes de la industria textil y como se aprecia en la tabla 1 estos valores de rebasan con mucho en los efluentes analizados.

Las características de las aguas residuales mostradas en la tabla 1 indican que es difícil tratar los efluentes textiles debido a su elevada temperatura y alta coloración, además de que esta agua residual contiene una gran cantidad de sólidos en suspensión, alta DQO y un pH altamente fluctuante. Por lo tanto es una necesidad la eliminación de los colorantes de tefido de las aguas residuales antes de que se mezclen con los cuerpos de agua receptores.

En México el costo del m 3 de agua entubada varía de región en región y depende de la facilidad para su extracción. Información reciente (CONAGUA, 2013) indica que el costo de agua en México oscila entre $3.00 y $18.50 por m 3 consumido, en promedio el costo es de $10.75/m 3 . Considerando que una fábrica textil procesadora de algodón consume mensualmente alrededor de 20,000 m 3 de agua, el gasto mensual por este concepto es aproximadamente de $2 15,000.

Estas cifras nos hablan de la necesidad de implementar sistemas de tratamiento eficientes, que permitan lograr una calidad del agua tratada tal que, sea posible su reutilización en los procesos productivos. Si además consideramos la disminución de los vertidos a los cuerpos de agua receptores, el tratamiento del agua resulta preponderante para asegurar la sustentabilidad del vital líquido.

Un gran número de tecnologías están disponibles con diversos grados de éxito al controlar la contaminación del agua. Entre ellas tenemos: procesos de oxidación avanzada, coagulación -floculación, flotación, filtración, interca m bio jónico, extracción con disolventes, adsorción, electrólisis, tratamiento biológico aerobio y anaerobio, reducción microbiana y lodos activados. Sin embargo, la mayoría de ellos requieren elevados costos de instalación, restringiendo su uso debido a factores económicos y a que no todas estas técnicas son capaces de remover eficientemente los colorantes. Por tal motivo debe darse especial importancia a aquellas que han probado ser eficaces en la reducción de la concentración de los colorantes.

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TÉCNICAS DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES TEXTILES

Las técnicas que han demostrado ser útiles en el tratamiento de efluentes que contienen colorantes son la oxidación, coagulación-floculación, adsorción y la filtración con membranas.

En este capítulo se describirán brevemente los principales métodos, físicos y químicos, de tratamiento de los efluentes textiles utilizados para la remoción del color.

Cuando los efluentes textiles son tratados y dependiendo del tipo de tratamiento utilizado, pueden ocurrir cualquiera de los siguientes procesos: Eliminación, remoción, decoloración, degradación y mineralización.

La eliminación es la desaparición o supresión total de los colorantes presentes en el efluente.

La remoción consiste en la supresión parcial de los compuestos colorantes disueltos en el agua residual.

La decoloración es simplemente la desaparición del color, pero no necesariamente del colorante disuelto. La decoloración puede ocurrir debido a la reducción química del colorante (forma leuco) o a cambios, aún ligeros, en el pH de la solución colorante, como es el caso de la fenolftaleína que a un pH de 8.2 es incolora y a uno de 8.4 presenta una coloración rosa.

La degradación consiste en la ruptura del enlace del grupo cromóforo de las moléculas de colorante, generando moléculas más pequeFas, las cuales pueden ser más tóxicas que los colorantes mismos. Por ejemplo, algunos colorantes reactivos conteniendo cromóforos azo, al degradarse han probado que producen aminas carcinogénicas.

La mineralización es el proceso mediante el cual los colorantes orgánicos se degradan hasta dióxido de carbono (CO2) y agua (H20).



Métodos químicos de tratamiento

. Procesos de oxidación

Este es el método más comúnmente utilizado para la degradación de los efluentes textiles por medios químicos, lo cual se debe principalmente a su simplicidad de aplicación. Con la oxidación química se remueve el colorante contenido en el efluente por oxidación, lo que provoca la ruptura de los grupos cromóforos de las moléculas de colorante. El principal agente oxidante es el peróxido de hidrógeno (H202). Este agente oxidante debe ser activado por algún medio, por ejemplo, radiación ultravioleta (Uy). Los métodos de degradación química varían en función de la forma en que se activa el 1-1 202 .

. Reactivo de Fenton (1-1202 - sales de Fe(7I)).

El reactivo de Fenton es un medio de tratamiento químico adecuado de las aguas residuales que son resistentes al tratamiento biológico o son tóxicas para la biomasa viva. La reacción del Fe 21 y H202 va a generar radicales hidroxilo (H0) altamente reactivos, que a su vez van a reaccionar a continuación por dos vías: la oxidación de Fe(II) a Fe(III) (reacción secundaria) y el ataque a la materia orgánica (moléculas de colorante) disuelta en el agua residual. Este método de oxidación ha demostrado ser efectivo en la decoloración tanto de colorantes solubles e insolubles. Su principal desventaja es la generación de lodos debido a la floculación del reactivo y las moléculas de colorante. El lodo en que se han concentrado las impurezas requiere disposición. Regularmente se incinera para producir energía, pero dicha disposición es vista como no amigable con el ambiente. El rendimiento depende de la formación final de los flocs y su capacidad de sedimentación, sin embargo los colorantes catiónicos no coagulan en absoluto. Los colorantes ácidos, directos, cuba, mordientes y reactivos generalmente si coagulan, pero los flocs resultantes son de mala calidad y no se unen entre sí, obteniéndose resultados mediocres.

. Ozonización

El ozono (0 3 ) fue utilizado por primera vez en la década de los 70's y es considerado un buen agente oxidante debido a su alto potencial de oxidación en comparación con el cloro (CI), otro agente oxidante o con el H202. La oxidación con 03 es capaz de degradar fenoles, pesticidas e hidrocarburos dorados y aromáticos. La dosis aplicada al efluente que contiene colorante depende del color total y de la DQO residual para ser eliminada y no deja residuos o formación lodos y no hay metabolitos



tóxicos. La ozonización deja el efluente sin color y con una baja DQO, adecuada para su descarga en los cursos de agua ambientales.

La ventaja más importante es que el 03 puede aplicarse en su estado gaseoso y por lo tanto no se incrementan ni el volumen ni los lodos de las aguas residuales.

Este método muestra preferencia por las moléculas de colorante con grupos cromóforos, los cuales son por lo general grupos funcionales orgánicos con dobles enlaces conjugados que puede romperse formando moléculas más pequeñas, lo que resulta en una reducción de coloración. Estas moléculas más pequeñas pueden convertirse en sustancias cancerígenas con propiedades tóxicas, por lo que la ozonización puede utilizarse en conjunto con algún método físico para evitar esto. La decoloración se produce en un tiempo relativamente corto.

Una desventaja de la ozonización es su corto tiempo de vida media, siendo típicamente de 20 mm. Este tiempo puede acortarse aún más con la presencia de los colorantes y su estabilidad puede afectarse por la presencia de sales, el pH y la temperatura. En condiciones alcalinas la descomposición del ozono se acelera, por lo que se requiere un monitoreo cuidadoso del pH del efluente. Uno de los principales inconvenientes de la ozonización es el costo, ya que es necesaria una continua ozonización debido a su corto tiempo de vida media.

• Degradación fotoquímica

Este método degrada completamente las moléculas de colorante a CO2 y H 20 (mineralización) por tratamiento con radiación UV en presencia de 1-1202 . La degradación es causada por la producción de altas concentraciones de radicales hidroxilo. La luz UV se puede utilizar para activar productos químicos, tales como H202 y la tasa de eliminación de los colorantes se ve influenciada por la intensidad de la radiación UV, el pH, la estructura del colorante y la composición de baño de tintura. Este método puede realizarse ya sea en sistemas continuos y discontinuos. Dependiendo de los materiales iniciales y el grado del tratamiento de decoloración, pueden producirse subproductos adicionales, tales como, halogenuros, metales, ácidos orgánicos e inorgánicos y aldehídos.

Las ventajas del tratamiento fotoquímico de los efluentes que contienen colorantes, son que no se producen lodos y los olores se reducen en gran medida.

La radiación Uy activa la destrucción de H202 en dos radicales hidroxilo:

Especial ¡dad: Ingeniería Textil 13


H202 + hv—. 201-1

Esto causa la oxidación química del material orgánico.

. Tratamiento con hipoclorito de sodio (NaC1O)

Con este método y por medio del cloro (Cfl, se atacan los grupos amino de las moléculas de colorante, el Cl inicia y acelera el rompimiento de los enlaces azo. Un aumento en la decoloración se logra con el aumento de la concentración de cloro. El uso del NaCIO para la eliminación de colorantes es cada vez menos frecuente debido a los efectos negativos que tiene al ser liberado al medio acuático y a la liberación de aminas aromáticas cancerígenas u otras moléculas tóxicas.

e . Tratamiento electroquímico

Esta es una de las técnicas más recientes, fue desarrollada a mediados de los 90's. La aplicación de una corriente eléctrica (2 - 20 A) entre dos electrodos en agua produce reacciones químicas que generan radicales H0 que oxidarán la materia orgánica. Tiene algunas ventajas significativas para su uso como un método efectivo para la eliminación de colorantes. No hay consumo de productos químicos y no hay acumulación de lodos. El rompimiento de los metabolitos no generan compuestos peligrosos, por esta razón las aguas residuales tratadas pueden liberarse en los cursos de agua. Muestra una eficiente y económica remoción de los colorantes y degradación de contaminantes tóxicos, aunque velocidades de flujo altas provocan una disminución en la eliminación de los colorantes. El costo de la electricidad utilizada es comparable al precio de algunos de los reactivos químicos oxidantes.

o Coagulación

Los compuestos que pueden estar presentes en un agua residual textil pueden ser: sólidos en suspensión (fibras), partículas coloidales (colorantes) y sustancias disueltas (sales inorgánicas).

La coagulación es la desestabilización de las partículas coloidales causada por la adición de un reactivo químico llamado coagulante el cual, al neutralizar sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí formando coágulos o flóculos. Los factores que pueden promover la coagulación-floculación son el gradiente de velocidad, el tiempo y el pH. El tiempo y el gradiente de velocidad son importantes ya que incrementan la probabilidad de que las partículas se unan y da más tiempo para que las partículas desciendan, por efecto de la gravedad, y así sedimenten. Por otra parte el pH es un factor



prominente en la acción desestabilizadora de las sustancias coagulantes y floculantes.

Un coloide se puede definir como una partícula que se mantiene en suspensión debido a su tamaño extremadamente pequeño (1 a 200 nm), a su estado de hidratación y su carga eléctrica superficial (carga neta negativa). Una suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema fisicoquímico compuesto por dos fases: una continua, normalmente fluida (agua), y otra dispersa en forma de partículas (colorantes), así, se trata de partículas que no son apreciables a simple vista, pero mucho más grandes que cualquier molécula.

Los agentes coagulantes más comunes utilizados en la depuración de las aguas residuales se presentan en la tabla 2, actualmente también se utilizan agentes coagulantes poliméricos, los cuales aunque son más costosos dan mejores resultados ya que producen flóculos más grandes que sedimentan rápidamente.

Agentes coagulantes usados en el tratamiento del aaua residual. Agente coagulante Fórmula

Sulfato de aluminio o alumbre Al 4

(SO ) 2 3

Sulfatos férrico Fe (SO )

Sulfato ferroso o caparrosa verde FeSO4

Cloruro férrico FeCI 3

Aluminato de sodio NaA1O 2 2 4

Óxido de calcio o cal viva CaO Hidróxido de calcio o cal apagada Ca(OH) 2

L Policloruro de aluminio o PAC Al (OH) Cl n m (3n-m)

Clorhidrato de aluminio o Clurón AI 20(OH) 5

La coagulación es un método efectivo para la re moción de colorantes directos y cuba de las aguas residuales, desafortunadamente, los resultados son pobres para el tratamiento de los colorantes ácidos. La coagulación es una alternativa viable en el tratamiento de los efluentes textiles ya que los agentes coagulantes son reactivos relativamente económicos, con excepción de los agentes poliméricos. La desventaja que presenta este método de tratamiento es la generación de lodos y su disposición.

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La prueba de jarras es un procedimiento que se utiliza regularmente en los laboratorios para simular los procesos de coagulación y floculación que promueven la remoción de los colorantes en suspensión. Con este método se determinan las condiciones de operación óptimas para el tratamiento de los efluentes textiles. La prueba de jarras permite ajustar el pH, hacer variaciones en las dosis de agentes coagulantes y floculantes que se agregan a las muestras de agua por tratar, alternar velocidades de mezclado y recrear a pequeña escala lo que se podría tener en una planta de tratamiento.



Métodos físicos de tratamiento

• Floculación

La floculación es un proceso físico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutina las sustancias coloidales desestabilizadas presentes en el agua, facilitando de esta forma su sedimentación para posteriormente separarse del agua por decantación o filtración.

La floculación tiene relación con los fenómenos de transporte dentro del líquido para que las partículas hagan contacto. Esto implica la formación de puentes químicos entre partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual es tridimensional y porosa. Así se forma mediante el crecimiento de partículas coaguladas, un floc suficientemente grande y pesado como para sedimentar. La floculación se ve favorecida por la agitación moderada del agua, por medio de paletas a baja velocidad. Si la agitación es demasiado rápida los flóculos se rompen, por tal motivo, debe de controlarse la velocidad dentro de un rango en el que puedan formarse los flóculos grandes para que sedimenten.

El proceso de floculación es precedido por la coagulación, por eso muchas veces se habla de los procesos de coagulación-floculación. Ambos facilitan la remoción de las sustancias en suspensión y de las partículas coloidales.

Los floculantes pueden ser polielectrolitos sintéticos orgánicos con cadenas ramificadas o lineales, como las poliacrilamidas catiónicas, aniónicas o anfóteras o copolímeros de acrilamida -acrilato de sodio y compuestos inorgánicos naturales como la bentonita y sílice activada.

• Filtración con membranas

Este método tiene la capacidad de aclarar, concentrar y sobre todo separar los colorantes presentes en el efluente de manera continua. Tiene algunas características especiales sin igual con respecto a otros métodos; resistencia a temperaturas altas, al ambiente químico adverso y al ataque microbiano. Las desventajas de la filtración son: el alto costo de las membranas, la disposición del residuo concentrado que queda después de la separación, la posibilidad de obstrucción y el reemplazo de las membranas. Este método de filtración es apropiado para el reciclaje del agua dentro de una planta textil de teí9ido si el efluente contiene baja concentración de colorantes.



• Intercambio jónico

El intercambio iónico no ha sido utilizado ampliamente para el tratamiento de efluentes que contienen colorantes, debido principalmente al hecho de mediante los intercambiadores jónicos no se pueden tratar la amplia gama de colorantes existentes. Las aguas residuales pasan a través de la resma de intercambio iónico hasta que los sitios de intercambio disponibles están saturados. Tanto los colorantes catiónicos como aniónicos pueden ser removidos del efluente que los contiene de esta manera. Las ventajas de este método incluyen la pérdida nula de adsorbente durante la regeneración, la regeneración del disolvente después de su uso y la remoción de colorantes jónicos solubles. La principal desventaja es su costo. Los disolventes orgánicos son caros y el método de intercambio iónico no es muy efectivo para los colorantes dispersos.

• Adsorción

El proceso de adsorción ha ganado terreno dentro de las técnicas de tratamiento de los efluentes textiles debido a su eficiencia en la eliminación de colorantes demasiado estables para los métodos convencionales. Mediante la adsorción se genera un efluente de alta calidad y puede ser un proceso económicamente factible. La remoción de los colorantes está influenciada por muchos factores, tanto físicos como químicos, tales como, el tipo de colorante, su interacción con el adsorbente, el tamaño de partícula y la superficie específica del absorbente, la temperatura, pH y tiempo de contacto. El adsorbente que ha probado una alta eficiencia en la eliminación de los colorantes presentes en los efluentes textiles es el carbón activado, pero tiene el inconveniente de su costo.

Métodos biológicos de tratamiento

Anteriormente los sistemas biológicos municipales eran utilizados para el tratamiento de los efluentes textiles que contenían colorantes, pero resultaban inefectivos debido a la naturaleza xenobiótica, cancerígena y tóxica de muchos colorantes sintéticos. Además muchos efluentes textiles presentan valores elevados de temperatura, pH, conductividad y DQO, ofreciendo considerable resistencia a la biodegradación. Tales motivos hacen que los métodos biológicos no sean eficientes en la re moción de los colorantes y no se consideraran en este trabajo.

En la tabla 3 se presenta un breve resumen de las ventajas y desventajas de los métodos físicos y químicos para el tratamiento de los efluentes textiles anteriormente descritos.



Tabla 3. Ventajas y desventajas de los métodos comunes para la re moción de

colorantes en efluentes textiles. Métodos Químicos Ventajas Desventajas

Oxidación con Decoloración efectiva de reactivo de colorantes solubles e Fenton insolubles

Aplicado en fase gaseosa: Ozonización no hay incremento del

volumen, ni de lodos

Degradación No hay producción de Fotoquímica lodos

Inicia y acelera el Tratamiento con rompimiento de los enlaces NaOCI

azo

Rompimiento de Tratamiento

compuestos que no son Electroquímico peligrosos

Coagulación Económicamente viable

Disposición de los lodos generados

Tiempo de vida media corto (20 mm)

Formación de subproductos

Liberación de aminas aromáticas

Alto costo de la electricidad

Generación de lodos

Métodos Físicos Ventajas Desventajas

Floculación Velocidad de

sedimentación alta

Filtración en Remueve todo tipo de Membranas colorantes

Intercambio Durante la regeneración no lónico hay pérdida de adsorbente

Adsorción con Buena eliminación de una

carbón activado amplia variedad de

colorantes

Alta producción de lodos

Producción de lodo concentrado

No es efectivo para todos los colorantes

Costoso

Espedal ¡dad: Ingeniería Textil 19


Aunque estos métodos pueden tener cierta eficiencia en la remoción de colorantes directos, reactivos, cuba y dispersos, sus costos de instalación y operacionales pueden ser tan altos que constituyen un freno para su implementación en las empresas de teñido.

Entre las diversas técnicas de tratamiento del agua residual disponibles, el proceso adsorción se considera mejor debido a su bajo costo, facilidad de operación, simplicidad de diseño, alta eficiencia, biodegradabilidad y capacidad para concentrar los colorantes. Además, con este proceso se pueden eliminar no sólo los diferentes tipos de colorantes presentes en agua residual, también es posible remover otras sustancias presentes en ella y por lo tanto tiene una amplia aceptación en el control de la contaminación de los efluentes textiles.



ADSORCIÓN

Se llama adsorción al fenómeno de acumulación de partículas sobre una superficie. Es un proceso por el cual moléculas, átomos o iones son atrapados o retenidos en la superficie de un material. La sustancia que se adsorbe es el adsorbato y el material sobre el cual lo hace es el adsorbente o sustrato. El proceso inverso de la adsorción es la desorción.

Dependiendo a las fuerzas de interacción entre las moléculas adsorbato y el adsorbente, se acepta la existencia de dos tipos fundamentales de adsorción. En la adsorción física o fisisorción se produce una interacción de Van der Waals, se trata de una interacción de largo alcance pero débil, por lo que una molécula fisisorbida mantiene su identidad. La adsorción física siempre es reversible, estableciéndose el equilibrio: adsorción-desorción. En la adsorción química o quimisorción el adsorbato se une a la superficie del adsorbente formando un enlace químico (normalmente covalente), durante la quimisorción la superficie del adsorbente se modifica, dando lugar a un nuevo adsorbente.

Regularmente en los procesos de tratamiento de las aguas residuales ocurre la fisisorción, que permite la regeneración del adsorbente para que recupere sus capacidades adsorptivas.

La adsorción puede describirse cuantitativamente empleando las ecuaciones de las isotermas de adsorción. A temperatura constante, la cantidad adsorbida aumenta con la concentración del adsorbato y la

relación entre la cantidad adsorbida (a) y la concentración (Ceq ) de la disolución en el equilibrio, se conoce como isoterma de adsorción. Sólo a

concentraciones muy bajas a es directamente proporcional a Ceq .

La isoterma más simple se puede representar por la ecuación: a = K Ceq

Las ecuaciones de las isotermas de adsorción más comunes son: • Henry • Langmuir • Freundlich • BET (Brunauer, Emmett, Teller)



La adsorción es uno de los métodos físicos más efectivos para la remoción del color y el tratamiento de los efluentes textiles, tiene la ventaja de que las moléculas de colorante son removidas del agua residual, en lugar de que sean rotas o degradadas a otros compuestos tal vez más peligrosos que los colorantes mismos. Con este método existe además la opción de recuperación de los colorantes en forma concentrada por desorción.

El carbón activado es uno de los materiales adsorbentes convencional-mente utilizado en el tratamiento de los efluentes textiles por su alta capacidad de adsorción de la materia orgánica, pero, debido a su costo y las dificultades de su regeneración no es usado a gran escala, especialmente en las empresas en donde la cuestión económica es una limitante para el tratamiento de los efluentes.

Por lo tanto, hay una creciente necesidad de encontrar adsorbentes de bajo costo, renovables y disponibles localmente para la remoción de los colorantes.

Numerosos investigadores de diferentes países han propuesto la utilización tanto de residuos vegetales e industriales como adsorbentes para el tratamiento de los efluentes textiles que contienen colorantes. Muchos de los adsorbentes propuestos no reciben ningún tratamiento químico para su utilización en la remoción del color. Otros reciben un tratamiento de activación que les permite mejorar sus capacidades adsorptivas para determinado tipo de colorantes.

En la tabla 4 se presentan algunos de los residuos vegetales propuestos a nivel mundial para la remoción de colorantes textiles del tipo ácido, básico, directo y reactivo.

Muchos de los residuos estudiados son altamente eficientes en la remoción del color. Con los adsorbentes activados HOMAP y POMAP, preparados a partir de olote se logró la remoción casi completa del colorante Azul Básico 41 cuando se encontraba en solución acuosa (M.P. Elizalde-González, 2003). La cáscara de cacahuate en polvo sin tratamiento, logró remover eficazmente tres colorantes ácidos en solución acuosa con un pH de 2 (R. Gong, 2005). Tanto la pulpa de manzana como la paja de trigo fueron adecuados para la remoción de cinco colorantes reactivos (T. Robinson, 2002). Si se compara la capacidad de adsorción de los adsorbentes naturales con la del carbón activado, estás en muchos casos son semejantes, especialmente para los colorantes básicos, esto se debe a que todos los vegetales están compuestos, en mayor o menor proporción, de celulosa y esta presenta un carácter aniónico debido a la presencia de los tres grupos hidroxilo



presentes en cada uno de los monómeros de glucosa que constituyen el polímero de celulosa.

Tabla 4. Residuos naturales utilizados como adsorbentes para la re moción de

colorantes textiles.

Residuo Tipos de colorantes* País Año Aserrín A l D Egipto 1987 Bagazo de caFia de azúcar R Brasil 2011 Cactus Al B México 1997 Cáscara de tuna B, D México 2013 Cáscara de coco activada A l B, R México 2003 Cáscara de plátano A l B, D Taiwán 2002 Cáscara de cebada R UK, USA 2002 Cáscara de cacahuate A China 2005

A India 2001 Cáscara de naranja A, B, D Taiwán 2002

D Irán 2005 Corteza de eucalipto R Portugal 1999 Hojas de elote Al B, R México 2005 Olote activado A l B, R México 2003

Olote Al B, R México 2006

Al B Egipto 1990 Paja de trigo R UK 2002 Pasta de linaza B UK 1997 Pulpa de manzana R UK 2002 Racimos de fruto de palma B Egipto 1997 Semilla de guayaba A México 2007 Semilla de mango A México 2008 Semilla de naranja A México 2009 Semilla de aguacate A l B, R México 2007 Tallos de girasol B,D USA 1997 Tallos de brócoli A l B, D, R México 2013 Tallos y cáscara de algodón R Turquía 2009 * A-ácidos, B-básicos, D-directos y R-reactivos

Una ventaja que presentan los adsorbentes naturales con respecto del AC, es que el carbón al ser un material costoso, debe regenerarse para que recupere sus propiedades adsorptivas, mientras que los adsorbentes naturales son preparados a partir de residuos y no necesitan regenerarse, una vez que en su superficie se han concentrado los contaminantes, estos pueden secarse y desecharse o confinarse. Su desventaja es que requieren de tiempos de contacto mayores.



Carbón activado (AC)

El carbón activado es un excelente adsorbente que se produce de tal forma que presenta una alta superficie específica y elevada porosidad. Estas características, junto con la naturaleza química de su superficie (la cual depende del material precursor y del tipo de activación utilizada durante su preparación) le permiten atraer y retener superficialmente ciertos compuestos de una manera preferencial. El carbón activado es uno de los adsorbentes más utilizados en el proceso de eliminación de los contaminantes industriales, compuestos orgánicos, metales pesados, herbicidas y colorantes, entre muchos otros compuestos tóxicos.

La producción mundial de AC en el aFio 2000 fue de 4x10 8 kg y para 2005 se duplicó, con un rendimiento en su producción de entre 33 y 40%. Industrialmente, el AC se prepara por medio de pirólisis oxidativa a partir de maderas blanda y dura, turba, carbón mineral (lignito y antracita), huesos de animales, cáscara de coco y bambú.

Existen dos tipos de activación del carbón: física o térmica y química. Durante la activación física, la materia prima como tal o previamente carbonizado puede someterse a gasificación con vapor de agua (H20(v)), dióxido de carbono (CO2) o los mismos gases de combustión producidos durante la carbonización. La activación química consiste en la impregnación de la materia prima lignocelulásica o carbonosa con reactivos químicos como los que se listan en la tabla S.

Tabla S. Agentes activantes utilizados en la rerDaración de AC.

Agente activante Fórmula Cloruro de zinc ZnCl 2 Ácido fosfórico H3PO4 Ácido nítrico HNO3 Ácido sulfúrico H2SO4 Hidróxido de sodio o sosa caústica NaOH Hidróxido de potasio o potasa KOH Carbonato de potasio K2CO3

A continuación se carboniza, controlando la velocidad de calentamiento y finalmente se lava el carbón para eliminar el agente activante. La aplicación de una corriente gaseosa ya sea de aire (02 y N2), nitrógeno (N2) o argán (Ar) es una práctica común durante la carbonización, ya que genera un mejor desarrollo de la porosidad del material.

Especial dad: Ingen ¡ ería Textil 24


El carbón activado comercial, dependiendo de su aplicación se produce como polvo (PAC), gránulos (GAC) o fibras (FAC). Puede presentar superficies específicas de BET entre 500 y hasta 2500 m 21g o más. Los volúmenes de macro, meso y microporos del carbón activado se encuentran entre 0.5 y 2.5 cm 31g.

La capacidad de adsorción del carbón activado es muy grande, debido a su alta superficie específica originada por la porosidad. Además, en función del tipo de activación utilizada durante su preparación, puede presentar numerosos grupos funcionales superficiales, que favorecen las interacciones específicas.

El carbón activado es considerado comúnmente un material costoso debido a los tratamientos físicos y químicos a los que es sometido, su bajo rendimiento, el alto consumo de energía durante su preparación o los tratamientos térmicos o de lavado utilizados para su regeneración y las pérdidas que esta conlleva. Sin embargo, si se considera su alta capacidad de adsorción en comparación con la de otros adsorbentes, el costo de producción resulta no ser tan elevado. La búsqueda del mecanismo más adecuado de carbonización es un factor importante para la reducción del costo de producción.

Teniendo como objetivo disminuir el costo de producción del carbón activado, las investigaciones contemporáneas están tomando un giro hacia la utilización de desechos vegetales lignocelulósicos o industriales para ser utilizados como materia prima y de esta manera reducir los costos de producción. Además, el uso de estos precursores reduce la generación de residuos sólidos, tanto en zonas rurales como urbanas y la tala de árboles, utilizados tradicionalmente para producir el carbón.

Los materiales seleccionados como potenciales precursores para la preparación de carbones activados deben cumplir los siguientes requisitos:

Deben ser materiales con alto contenido de carbono y bajos niveles de compuestos inorgánicos con el fin de obtener un mayor rendimiento durante el proceso de carbonización. Esto es válido para prácticamente todos los residuos vegetales (lignocelulósicos).

Deben ser abundantes en la región o país en el que se utilizarán para resolver cualquier problema ambiental específico. Por ejemplo, la mazorca de maíz se ha utilizado para preparar carbón activado y de acuerdo con Tsai et al. (1997) el grano de maíz es un producto agrícola muy importante en Taiwán. La misma condición se aplica para los huesos de aguacate, mango, naranja y guayaba en México que han sido



utilizados para preparar carbones activados (Elizalde-González et al., 2007, 2008). Específicamente, México es considerado como el número uno en la producción mundial de aguacate, número dos para el mango, y número de cuatro para la naranja (Salunkhe y Kadam, 1995).

El residuo generado durante el consumo o uso industrial de los materiales lignocelulósicos utilizados debe representar regularmente un alto porcentaje de la fuente de la que se obtiene. Por ejemplo, la semilla de mango es alrededor deI 15 al 20% del mango manila del que se obtiene; para el aguacate, las semillas corresponden entre el 10 y 13% del peso del mismo; el olote es aproximadamente el 18% de la mazorca y la cáscara de tuna corresponde al 42% aprox. de la fruta del nopal y todos son basura después del consumo del vegetal.

Deben ser eficaces y económicos para poder ser utilizados como adsorbentes para la eliminación de los contaminantes. Específicamente, carbones activados preparados a partir de precursores lignocelulósicos han sido utilizados en la eliminación de colorantes de los tipos: ácido, básico, cuba, directo, disperso y reactivo. También se han utilizado en la eliminación de iones metálicos como: Cr 4 , Hg 2 , Pb2 , Cu2 y Fe2t Además de moléculas orgánicas de bajo peso molecular como el fenol, clorofenol y nitrofenol.

Parámetros para la preparación de carbón activado

Las investigaciones relacionadas con la preparación y utilización del AC, han demostrado que las propiedades del carbón, tales como la superficie específica, porosidad, densidad y resistencia mecánica dependen en gran medida de la materia prima utilizada. Sin embargo, es posible modificar estos parámetros cambiando las condiciones de activación y carbonización de los materiales lignocelulósicos.

Los parámetros más importantes a considerar durante la preparación del AC a partir de residuos lignocelulósicos se describen a continuación.

a. Agente activante

Actualmente el H 3 PO4 es el reactivo químico más utilizado en la preparación de AC. El uso de ZnC1 2 ha disminuido debido a los problemas de contaminación del medio ambiente con metales pesados como el zinc. En el caso de la activación física, el uso de H20(v) y de CO 2 se prefiere para promover la oxidación parcial de la superficie en lugar de 02, que es demasiado reactivo.

E5pecialidad: Ingeniería Textil 26

ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PAFLA EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES TEXTILES

Relación masa de precursor y agente activa nte

Debe garantizarse la saturación completa del precursor lignocelulósico para desarrollar la porosidad del adsorbente con el mínimo consumo de agente activante. Esto permite un menor consumo de reactivos químicos y una mejor eliminación del exceso durante el proceso de lavado del carbón. El efecto del aumento en la proporción de impregnación sobre la estructura porosa de carbón es mayor que la obtenida con el aumento de la temperatura durante carbonización.

Velocidad de calentamiento

Regularmente se utilizan rampas de calentamiento con una velocidad baja para la preparación del carbón activado. Un calentamiento lento

• permite la combustión completa del material precursor y favorece un - mejor desarrollo de la porosidad. El calentamiento rápido durante la

carbonización produce residuos macroporosos.

Temperatura de carbonización

La temperatura tiene una gran influencia sobre la calidad del AC durante el proceso de activación. Debe ser al menos de 400 oc para asegurar la completa transformación de los compuestos orgánicos presentes en los precursores lignocelulósicos, en estructuras de grafeno. El grado de desarrollo de la superficie específica y la porosidad se incrementa con la temperatura de carbonización. Durante la activación física, las tempera-turas de carbonización son mayores que aquellas necesarias para la activación química. No obstante, que las temperaturas de carbonización usadas en la producción de AC deben ser mayores de 400 °c se han utilizado temperaturas que van desde los 120 °c hasta 1000 oc.

Tiempo de carbonización

Este parámetro debe ser optimizado para obtener el máximo desarrollo de porosidad minimizando la pérdida del material debido a una combustión excesiva. Se ha demostrado que el porcentaje de rendimiento disminuye más bien con el aumento de la temperatura de activación que con el tiempo. En la producción de carbón se han utilizado tiempos de carbonización que van desde 1 h hasta 14 h.

Velocidad del flujo de gas

Se ha observado que durante la carbonización el paso de un gas inerte, como el N2 o el Ar, favorece el desarrollo de la porosidad del carbón. En

Espedal dad: Ingeniería Textil 27


este caso, el flujo y el tipo de gas empleado afecta a las propiedades finales del carbón activado.

g. Efecto del proceso de lavado

Durante la carbonización del residuo lignocelulósico, la presencia de agentes activantes químicos genera en los carbones una estructura porosa más ordenada. La eliminación del agente, posterior a la activación química, mediante lavados sucesivos, permitirá un mejor desarrollo de la porosidad.

Precursores no convencionales utilizados en la producción de AC

Numerosos residuos vegetales se han usado como precursores del AC, en la tabla 6 se listan algunos materiales precursores utilizados en la preparación de carbones activados física y químicamente, se encuentran clasificados de acuerdo a la fuente de la cual se obtuvieron.

Tabla 6. Residuos vegetales no convencionales utilizados en la preparación de

AC, aaruoados de acuerdo a su Fuente dp ohtncVn

Madera (aserrín, ramas o corteza)

Eucalipto

Cáscaras de

nueces

Pacana Pasta

Aceitunas Pino Almendra Café Encino Macadamia

Cáscaras suaves

Aguacate Acacia Cedro Yuca Abeto Avellana Granada Olivo Pistache

Tallos

Algodón Caoba Nogal Yute Corcho Coco Dátil Palma

Huesos

Cereza Vid

Semillas

Ciruela Chabacano Kenaf Aguacate Durazno Tabaco Uva Ciruela

Fibras Yute

Naranja Dátil Coco Guayaba Aceituna Palma Mango Mango Macuna Mutisiana

Cascarilla

Moringa Oleifera

Paja Arroz

Trigo Durazno Cacahuate Bambú Mazorca Palma Café Vainas de

flamboyant Bagazo de caPia Colza Arroz

EspeciaHdad: Ingenieríd Textil 28

Corteza de corcho Tallos de vid

Huesos de durezno y chabacano Paja de trigo

Semillas de Macuna Mutisiana Semillas de Moringa Oleifera

Semillas de colza Cáscara de granada

Tallos de tabaco Vainas de flamboyant

Cáscara de yuca Tallos de algodón y kenaf

Huesos de dátiles

FA Cáscara de cacahuate

U Huesos y semillas de ciruela Semillas de naranja

FA Semillas de uva Semilla y cáscara de aguacate

Huesos de chabacano Pasta y cascarilla de café

Semillas de guayaba Huesos y semillas de mango

Tallo y fibras de yute Huesos y pasta de aceitunas

Bambú Semillas y huesos de durazno

Huesos de cereza Mezorca

Bagazo de caña de azúcar Cascarilla y paja de arroz

Semillas, huesos y fibra de palma Cáscara y fibra de coco

Madera y aserrín Cáscaras de nueces

Hn

.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18


La figura 1 muestra la gran variedad de residuos lignocelulósicos usados en la producción mundial de carbón activado. La categoría madera incluye diversas variedades de árboles, tales como acacia, eucalipto, abeto, caoba, olivo y pino. Las cáscaras de nueces incluyen, almendra, cedro, avellana, macadamia, pacana, pistache y nogal. Se puede observar, por el número de publicaciones, que tanto la madera, las cáscaras de nueces y diferentes partes del coco se encuentran entre los más comúnmente utilizados en la preparación de carbón activado.

Publicaciones

Figura 1. Precursores lignocelulósicos usados en la producción de AC.

EspeciaUdad: Ingeniería Textil 29


En cuanto a la aplicación, para la remoción de colorantes textiles, tanto de los adsorbentes naturales, como de los AC preparados a partir de residuos vegetales. En el Laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la BUAP y con la participación de estudiantes del Colegio de Ingeniería Textil, se han preparado diversos adsorbentes y carbones activados, en la tabla 7 se muestran las características de los materiales adsorbentes preparados.

Tabla 7. Características de los adsorbentes celulósicos y carbonáceos preparados

a partir de residuos veQetales abundantes en México.

Precursor Tipo de Activación Adsorbente adsorbente -

Ninguna Tuna C Celulósico NaOH - 50 °C Tuna-NaOH

Cáscara de NaCIO - 50 °C Tuna-NaClO tuna Térmica (calentamiento súbito) Ash-Tuna

Carbonáceo Térmica - 400 °C CarTunaT H 3PO4 - 400 °C CarTunaQ

Celulósico Ninguna ZapNat Hueso de NaOH - 50 °C ZapNaOH

zapote Térmica (calentamiento súbito) CenZap blanco Carbonáceo Térmica - 400 °C CarZapT

H3PO4 - 400 °C CarZapQ

Tallos de Celulósico Ninguna BrocNat

brócoli NaOH - 50 °C BrocNaOH Carbonáceo H 3 PO4 - 400 °C CarBrocQ

Tanto los adsorbentes celulósicos como los carbonáceos preparados, han sido utilizados en la remoción de colorantes textiles del tipo ácido, básico, cuba, directo y reactivo, presentes tanto en soluciones acuosas como en agua residual.

En la figura 2 se muestran los porcentajes de remoción para colorantes básicos (a), directos (b) en solución acuosa y cuba y reactivos (c) presentes en agua residual. Puede observarse que cuando los colorantes están presentes en soluciones modelo (a y b) se remueven en mayor cantidad, con porcentajes incluso del l00%. También se puede apreciar que los porcentajes de remoción son ligeramente mayores para los materiales carbonáceos (lado derecho de las gráficas) con relación a los celulósicos (lado izquierdo). En el caso del agua residual el porcentaje de re moción de color disminuye, debido a que los compuestos presentes en ella bloquean los sitios activos de adsorción, sin embargo se alcanzan porcentajes de remoción de hasta 75 0!o.

Espedalidad: Ingeniería Textil 30


e

Tuna Tuna-NaOH Tuna-NaC1O Ash-Tuna CarTunaT CarTunaQ

(h\

Figura 2. Adsorción de colorantes (a) básicos, (b) directos y (c) cuba y reactivos sobre los adsorbentes preparados con cáscara de tuna.

Especidildad: Ingeniería Textil 31


Para los adsorbentes preparados a partir del tallo de brócoli sus características de adsorción se muestran en la figura 3.

100

90

60

70

10

• 60 o

a, 50

40

30

0 20

10

[i

mBrocNat

• BrocNaOH

• CarBrocQ

?:UJ 9 Mannú Riro

Café Cuba Amarillo Cuba Amarillo Rolo Reactivo Reactivo

Sdución acuosa

Agua residual

Figura 3. Adsorción de colorantes básico, cuba y reactivos sobre los adsorbentes preparados con tallo de brócoli.

En la figura 3 se observa que el adsorbente natural (BrocNat) sólo es capaz de adsorber a los colorantes cuando éstos se encuentran en solución acuosa, ya que cuando se encuentran en agua residual, sólo el carbón activado químicamente (CarBrocQ) es eficaz en la remoción del color con porcentajes cercanos al 100%. También se observa que la activación del tallo de brócoli con sosa caústica (BrocNaOH) no mejora significativamente su capacidad de adsorción.

Un aspecto importante dentro de los proceso de adsorción es la optimización de la cantidad de material adsorbente, expresada como masa (m) de adsorbente por volumen (V) de solución a tratar (m/V).

Para establecer ¡a cantidad de carbón mínima requerida durante los procesos de adsorción del agua residual, se realizaron experimentos en sistemas estáticos utilizando tres dosis (3, 5 y 10 g/L) diferentes de CarBrocQ. Con la relación m/V = 5 gIL, la capacidad de remoción fue similar a la obtenida utilizando el doble de adsorbente, sólo disminuyó 4%. Con la relación m/V = 3 g/L, la capacidad de remoción disminuyó considerablemente. Estableciendo 5 g/L como la dosis óptima de adsorbente para el tratamiento del agua residual. La figura 4 muestra



éstos resultados. Las celdas 2 y 4 contenían el doble de carbón con respecto a 1 y 3, pero la coloración era similar. En la figura 4 también se puede notar cómo la coloración de las aguas residuales disminuye considerablemente después de estar 1 Fi en contacto con CarBrocQ.

(a) (b)

76.6% 72% .3% 89%

fl-iu .. m/v=SgiL m/V=10 gIL m/v=5 g/L

Figura 4. Adsorción de colorantes (a) amarillo cuba y (b) rojo reactivo en agua residual sobre CarBrocQ utilizando diferentes cantidades de carbón. m/V = 5 g/L celdas 1 y 3 y m/V = 10 g/L celdas 2 y 4.

La calidad de los efluentes textiles varía considerablemente en función del tipo de colorante utilizado y las condiciones de teñido específicas. Para poder establecer la capacidad de adsorción de cada uno de los carbones activados preparados, CarTunaQ, CarBrocQ y CarZapQ, diez diferentes efluentes textiles que contenían colorantes reactivos y cuba fueron tratados, los porcentajes de remoción para los 10 efluentes se muestran en la tabla 8.

Tabla 8. Remoción de colorantes reactivos y cuba presentes en efluentes textiles

utilizando carbones activados preparados con residuos vegetales. Porcentaje de remoción

Carbón activado [fluentes con Efluentes con colorantes reactivos colorantes cuba

CarTunaQ 60 - 100 32 - 48

CarBrocQ 55 - 98 13 - 75 CarZapQ 24-85 24-43

Los resultados presentados en la tabla 8 indican que la capacidad de adsorción para los carbones activados químicamente sigue el orden:

CarBrocQ > CarTunaQ> CarZapQ Además los valores obtenidos indican que se alcanzan mayores porcentajes de remoción cuando los efluentes contienen colorantes reactivos en comparación con los cuba.

c

EspeciIidad: Ingeniería Textil 33


El principal problema encontrado en la descontaminación de las aguas residuales textiles es la eliminación del color, en la actualidad no existe una técnica única capaz de eliminar el color y además mejorar la calidad integral del agua, debido principalmente a la compleja naturaleza de estos efluentes. La mayoría de los procesos existentes combinan una etapa inicial de tratamiento con lodos activados para eliminar la materia orgánica, seguido de la oxidación (con 0 3 , reactivo de Fenton o H 202 y radiación Uy), filtración con membrana o por adsorción, generalmente con carbón activado.

La combinación de técnicas que resultó ser altamente eficaz para mejorar la calidad del agua residual no sólo en cuanto a color, sino de manera global fue la coagulación-floculación seguida de la adsorción.

Un efluente que contenía el colorante café cuba, que había mostrado bajos porcentajes de remoción (46 01o) cuando fue tratado únicamente por adsorción, se trató primero por coagulación-floculación, utilizando clorhidrato de aluminio y el copolímero aniónico de acrilamida acrilato de sodio, como agentes coagulante y floculante respectivamente y posteriormente fue tratado por adsorción. Después del tratamiento de coagulación-floculación se redujo un 97.5% el color del agua residual y la DQO disminuyó de 9724 a 1668 mg/L. La adsorción sobre CarBrocQ durante 1 h después del primer tratamiento eliminó completamente el color y la DQO se redujo aún más, hasta 654 mg/L. El pH y la conductividad eléctrica también disminuyeron después de la combinación de los tratamientos, mejorando así sustancialmente la calidad del agua residual tratada, en la figura 5 se muestra el aspecto del agua residual antes y después de los tratamientos y en la tabla 9 se presentan los valores de los parámetros de calidad del agua evaluados.

c

Rl

Figura S. Aspecto del agua residual, (1)ntes y después de los tratamientos de (2) coagulación-floculación y (3) adsorción.



Tabla 9. Cuantificación de la calidad del aaua residual tratada.

Conductividad DQO % Color pH eléctrica

(ms/cm) (mg/L) removido

Agua residual conteniendo el colorante café cuba

7.9 1.92 9724 -

Después del tratamiento 6.9 3.19 1668 97.5

de coagulación-floculación Después del tratamiento

de adsorción con CarBrocQ 4.3 1 654 100

Los resultados anteriormente mostrados, con una disminución de la DQO del 93.3% en el último caso, nos indican la viabilidad tanto en el uso de adsorbentes naturales como de carbones activados preparados a partir de desechos vegetales en la remoción total o parcial de los colorantes presentes en efluentes textiles.

Estos resultados sugieren que es posible implementar sistemas de tratamiento de los efluentes textiles económicos y eficientes, para de esta manera contribuir con la sustentabilidad del ambiente acuático, el cual es impactado negativamente con los colorantes.

Espedal ¡dad: Ingeniería Textil 35


CONCLUSIONES.

La utilización de desechos vegetales, ya sea directamente como adsorbentes o como precursores para la preparación de carbones activados con altas superficies específicas, disminuye considerablemente la generación de residuos sólidos, disminuye la tala de árboles utilizados en la preparación de carbón activado comercial y reduce los costos de trata mientos de efluentes conteniendo cobra ntes.

La remoción del color de los efluentes textiles es posible mediante la utilización de adsorbentes naturales, preparados a partir de residuos abundantes y de fácil disposición en la región donde se ubican las fábricas textiles interesadas en la aplicación de un método eficiente y económico para el tratamiento de sus efluentes.

La combinación de la coagulación-floculación seguida de la adsorción, como técnicas de tratamiento de los efluentes textiles que contienen colorantes, mejora considerablemente la calidad del agua, pudiendo crear un circuito cerrado para la reutilización del agua de proceso en las fábricas de teí9ido.

Con el tratamiento de los efluentes textiles no sólo se beneficia el ambiente, reduciendo la cantidad de contaminantes que ingresan a los cuerpos de agua receptores, también el suministro de agua en las fábricas textiles puede reducirse, al lograr una calidad tal del agua que permita su reutilización parcial o total para los procesos productivos.


ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PARA EL TRATAMIENTO DE EPLUENTES TEXTILES

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Especial dad: Ingeniería TextIl 37


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RECONOCIMIENTOS.

A los comentaristas del presente trabajo: Dr. Rodolfo Radillo Ruíz, Ing. Arturo Dianicio Arauzo y M.C. Guillermo M. Noriega Ibarra, por sus acertadas observaciones.

A la VIEP-BUAP por el apoyo financiero recibido durante la realización de los proyectos PECA-ING11-G y PECA-ING12-I.

Lll


Alternativas de solución para el tratamiento de efluentes textiles

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