Adsorción de Metales Pesados.

ESTUDIO SOBRE ADSORCIN DE METALES PESADOS SOBRE LODOS

ACTIVADOS. ADSORCIN DE PLOMO, ZINC, COBRE & ARSNICO".

Mendoza Ortega Adriana Lizeth & Luvano Martnez Jos Salvador.

[email protected]

Universidad Autnoma de Coahuila.

Escuela de Ciencias Biolgicas. Ciudad Universitaria.

Kilmetro 7.5 carretera Torren-Matamoros. Torren Coahuila. Mxico.

Abstract

Heavy metals are toxic, highly persistent non-biodegradable substances, which show a tendency to accumulate in living organisms causing several types of damage and sometimes even death. For these reasons, it is important to control the entry of these elements into the environment, including contamination produced by wastewater from numerous industries, where heavy metals can be found in high concentrations.

This research work studies the adsorption capacity of waste activated sludge, used in wastewater treatment processes, to adsorb on its structure metallic ions of Pb, Cu and Zn, as well as As. The work was conducted solving Langmuir & Freundlich isotherms element by element through adsorption kinetic studies. The initial concentration of each element was 10 g/l; removal efficiencies were Pb 98.1%, Cu 36.26%, Zn 30.2%, and As 18.17% for single-element isotherms.

When the elements were mixed (binary mixture), only the Zn & Cu remained soluble, and in this case, the isotherm used was the Langmuirs modified by Weber & Morris. Removal efficiencies in the binary mix (initial concentration 10 g/l Cu and Zn) were 39.23% for Cu and 24.6% for Zn.

Keywords: adsorption, activated sludge, heavy metals, isotherm

RESUMEN.

Los metales pesados son sustancias txicas y no biodegradables que presentan una alta persistencia y tienden a acumularse en los organismos vivos, provocando trastornos y en ocasiones la muerte. Debido a ello es necesario controlar la entrada de estos elementos en el medio ambiente y evitar la contaminacin provocada por las aguas residuales de numerosas industrias, en las que suelen encontrarse en altas concentraciones.

En el presente trabajo se estudia la capacidad de adsorcin que posee el lodo activado comnmente usado en los procesos de depuracin de aguas residuales para adsorber en su estructura los iones metlicos de Pb, Cu y Zn as como tambin el As. La concentracin inicial de cada elemento fue de 10 g/L, los rendimientos de remocin resultaron en: Pb 98.1%, Cu 36.26 % Zn 30.2 % y As 18.17 % para isotermas singulares (un solo in).

El estudio se llev a cabo resolviendo las isotermas de Langmuir & Freundlich elemento por elemento, en forma de cinticas de adsorcin, cuando se hicieron mezclas binarias de estos elementos, solo la de Zn & Cu permaneci soluble, la isoterma usada en este caso fue la de Langmuir modificada por Weber & Morris.

Los rendimientos de remocin dela mezcla binaria desde 10 g/L de los cationes Cu & Zn, fueron en Cu 39.23 % y Zn 24.6 %.

Palabras clave: adsorcin, lodos activados, metales pesados, isoterma.

ADSORCIN.

Una superficie slida en contacto con una solucin tiende a acumular una capa superficial de soluto por causa del desbalance de fuerzas de superficie. La adsorcin qumica resulta en la formacin de una capa mono-molecular del adsorbato sobre la superficie a travs de fuerzas de valencia residual sobre la superficie de las molculas. La adsorcin fsica resulta de la condensacin molecular en los capilares del slido. Normalmente el medio adsorbente es carbn activado, y al aumentar la concentracin de este, aumenta la adsorcin del soluto sobre la superficie del carbn.

Sin embargo en este trabajo, al aumentar la concentracin de lodo activado por encima de cierto nivel, la adsorcin se revierte, liberando al soluto de nuevo a la solucin, por lo tanto el razonamiento no es lineal, como cuando se emplea carbn activado.

Isoterma de Adsorcin: es la relacin algebraica entre la cantidad de soluto adsorbido por unidad en peso de adsorbente slido, a temperatura constante.

0 ee

c c xq

D m

oc Concentracin inicial. ec Concentracin en equilibrio.

D Dosis de adsorbente.

Isoterma de Freundlich. 1

log log log ex

k Cm n

Isoterma de Langmuir, segn Metcalf & Eddy. 1 1e

e

CC

x ab a

m

Isoterma de Langmuir, segn Eckenfelder. 1 1 1 1

x b ab C

m

Los Modelos de isotermas de Langmuir segn Metcalf & Eddy y Eckenfelder, son recprocas uno de otro.

Materiales & Mtodos.

Lodo activado secado a 0100 C , tamizado, agitador oscilatorio, balanza analtica,

Espectrofotmetro de Absorcin Atmica A700 por el mtodo de flama, preparando estndares y las lmparas correspondientes.

Cinticas de adsorcin.

Se pesan 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 y 0.5g de lodo activado previamente secado y tamizado, cada cantidad de lodo es depositada en un recipiente (reactor batch) previamente identificado. Despus de haber depositado el lodo en cada uno de sus reactores correspondiente, se aade a cada uno de los recipientes 10ml de la solucin metlica preparada.

Esto se hace por triplicado. Los reactores son cerrados y colocados en el agitador oscilatorio (Shaker) durante 120 min, cada 30min se retira una serie de 5 reactores (0.1, 0.2, 0.3, 0.4 y 0.5g) junto con sus triplicados, hasta que se cumplen los 120min.

RENDIMIENTOS MAXIMOS PARA LAS ISOTERMAS SINGULARES DE ADSORCION

Tabla 1. Rendimientos mximos para las isotermas de adsorcin de cada metal.

METAL EFICIENCIA

% t(min)

r

Freundlich

r

Langmuir

qe (mg/g)

PLOMO 98.07 90 .9313 .8783 0.1963

ARSENICO 36.26 120 .8260 .8734 0.0752

ZINC 30.20 120 .8764 .8343 0.0604

COBRE 18.17 120 .5554 .6686 0.0371

Morris Weber.

La nica mezcla binaria que permaneci soluble fue la de Cu-Zn, todas las dems precipitaron al mezclarse, por lo tanto los metales pueden recuperarse por ese medio. Para las isotermas binarias, una vez que se cuantifican el Cu & Zn, desde la mezcla, las isotermas se resuelven como si fueran singulares, una vez resueltas, con esos datos se desarrolla la isoterma binaria de Morris - Weber.

1A B A

B eA A A A B

C a C

C q a b b C

1B A B

A eB B B B A

C a C

C q a b b C

Tabla 2. Rendimiento mximo para las isotermas de adsorcin para cada metal con respecto a la mezcla binaria Cu-Zn.

METAL EFICIENCIA

% TIEMPO (min) m (g/L) X (mg) qe (mg/g)

COBRE 39.234 10 50 3994 79.90

ZINC 24.601 30 20 2516 125.80

Comparacin de las grficas singulares de las isotermas desde la mezcla binaria.

Cu-Zn binaria 10 min. r =.844 r =-.77

Figura 1. Graficas de comparacin de la isoterma de Langmuir para Cobre y Zinc a los 10 min.

Cu-Zn binaria 20 min. r =.945 r =-.925


Cu-Zn binaria 30 min. r =-.773 r =.066


1 1 1 1

x b ab C

m

Isotermas binarias de la mezcla Cu-Zn.

Figura 4. Ecuacin de la isoterma de Langmuir para la mezcla Cu-Zn a los 10 min.

1B A B

A eB B B B A

C a C

C q a b b C

1

(19.164) 19.164

B A B

A eB B A

C a C

C q a C

.7603r

Figura5. Ecuacin de la isoterma de Langmuir para la mezcla Cu-Zn a los 20 min.

1B A B

A eB B B B A

C a C

C q a b b C

1

(91.441) 91.441

B A B

A eB B A

C a C

C q a C

.3798r

Figura 6. Ecuacin de la isoterma de Langmuir para la mezcla Cu-Zn a los 30 min.

1B A B

A eB B B B A

C a C

C q a b b C 1

(25.053) 25.053

B A B

A eB B A

C a C

C q a C

.844r

Isoterma de Langmuir para Zn-Cu a los 10 min.

Figura7. Ecuacin de la isoterma de Langmuir para la mezcla Zn-Cu a los 10 min.

1A B A

B eA A A A B

C a C

C q a b b C

1.1642 1

(5,0875) 5.0875

A A

B eA B

C C

C q C

.7184r


Figura 8. Ecuacin de la isoterma de Langmuir para la mezcla Zn-Cu a los 20 min.

1A B A

B eA A A A B

C a C

C q a b b C

.793 1

(14.792) 14.792

A A

B eA B

C C

C q C

.9836r


Figura 9. Ecuacin de la isoterma de Langmuir para la mezcla Zn-Cu a los 30 min.

1B A B

A eB B B B A

C a C

C q a b b C

1

(.01057) .01057

B A B

A eB B A

C a C

C q a C

.2628r

CONCLUSIONES.

Observaciones al respecto de las grficas de las Isotermas singulares de Freundlich y el desempeo del lodo como adsorbente de Pb, As, Zn & Cu.

Retratos de Inter-fase.

La lnea recta es la matriz de lodo activado, los puntos son los iones, la r la afinidad de los puntos por la lnea, o de los metales por el lodo.

_30min_ .9905Pb r _ 60min_ .9381Pb r

_30min_ .9471As r _ 60min_ .4503As r

_ 30min_ .9185Zn r _ 60min_ .8594Zn r

_30min_ .8689Cu r _ 60min_ .5433Cu r

r En valores absolutos para cada elemento de las isotermas de Freundlich.

.9313

.6260

.8764

.5554

Pb

As

Zn

Cu

r En valores absolutos para cada elemento de las isotermas de Langmuir.

.8783

.8734

.8343

.6686

Pb

As

Zn

Cu

Para isotermas singulares, la de Freundlich resulta la mas apropiada para modelar la adsorcin de los iones mencionados sobre lodos activados.

DISCUSIONES.

Observaciones al respecto de las grficas de las Isotermas singulares de de Langmuir y su desempeo como adsorbente de Pb, Zn, As & Cu.

La concentracin mnima segura, permitida para descargas de aguas residuales con metales pesados, al medio ambiente, debe de tender a ser igual a cero mg/L.

El concepto de Polucin, Dilucin, Solucin es un sofisma. (Sofisma: error con aspecto de verdad). Esto en vez solucionar el problema, lo hace mas difcil de manejar y da lugar a soluciones como son los diversos conceptos de Remediaciones & Bio-remediaciones.

La Solucin Real, es evitar que los contaminantes sean descargados al medio ambiente, diluidos o no. Aqu el sofisma debe ser sustituido por el axioma Aplstalos no los Disperses, como se refera al manejo de los enemigos, en el campo de batalla, el general Heinz Guderian, esto significa, concentrar, aplastar, troquelar y laminar los metales que se fugan a la atmsfera, al agua y por lo tanto a los mantos freticos.

Las descargas a la atmsfera pueden ser dirigidas al fondo de un depsito de agua tratada, y una vez en el volumen de agua, el mismo volumen pasarse por trenes de carbn activado de flujo continuo, como indican Bohart & Adams o bien por lodos activados secados, en sistemas batch, como se indica en este estudio, y desde ah recuperar los metales pesados.

Esto no solo garantiza eliminar el problema, los metales del medio ambiente, sino que permite concentrarlos, extrelos del medio, purificarlos & reciclaros, obteniendo una ganancia neta, que con facilidad pudiera auto-financiar el costo de recuperacin de los mismos metales, sobre todo si son preciosos, como oro, plata & platino.

Otro aspecto, con mucho ms importante, es el mejoramiento de las condiciones de trabajo de mineros y obreros de compaas refinadoras de metales pesados, dado que su medio ambiente laboral, sera mucho ms amigable, su vida laboral mejorara y se vera prolongada, redundando en el progreso econmico de las empresas. (Ver la figura 10).

El costo del material adsorbente tiende a ser nulo, sobre todo si la empresa cuenta con tratamientos de lodos activados, para disponer de agua de uso industrial.

En este estudio se confirma que a partir de cierta relacin de concentracin lodo-metal, este ltimo se libera al volumen de agua.

Figura 10.

La imagen muestra la niebla industrial sobre una pequea parte de una refinadora de metales pesados, las luces encendidas a plena luz del da, los polvos precipitando sobre la superficie de las tuberas, dan una idea bastante objetiva de la exposicin a la que se encuentra sometido el personal obrero en este tipo de industrias, adems de soportar una

temperatura medioambiental de 040 C sostenida varios meses al ao, metidos en sus trajes

de seguridad industrial, la fotografa fue tomada alrededor de las 3.00 PM.

Figura 11.

Diagrama de flujo del manejo de los desechos de refinera de Pb & Zn.

Consecuencias derivadas de este diagrama de flujo.

a) El crcamo de recepcin de aguas negras, es contaminado por descargas de las refineras de metales pesados desde t = 0.

b) El reactor de lodos activados nunca alcanzar su mximo desempeo, pues en ambos estados, tanto transitorio como estacionario, el consorcio microbiano esta expuesto a una muerte prematura.

c) El tonelaje de lodos activados queda inutilizado para ser usado en un reactor anaerobio para producir energa elctrica.

d) Esta prctica de dispersin de metales, en vez de concntralos, es contraria al reciclaje de los mismos.

e) Existe la posibilidad de fuga de metales pesados, al volumen de agua tratada, pues estos se encuentran en equilibrio dinmico, adsorcin des-adsorcin.

Figura 12. Fotografa desde Google Earth, de una parte de la refinera de metales pesados donde al centro se puede ver la chimenea de la figura 10, arriba a la izquierda, estn los reactores de lodos activados. Esta chimenea nunca presenta una pluma.

BIBLIOGRAFA

Corts, I. 2000. Metales como contaminantes ambientales. Universidad de la Habana, Cuba. 1-

15p.

Del Bosco,S.M., Jimnez, R.S and Carvalho, W.A. 2005. Removal of toxic metals from

wastewater by Brazilian natural scolecite.Journal of Colloid and Interface Science. 281:424-431.

Daz Rengifo, J.A. 2001.Desarrollo de un sistema integrado para la monitorizacin in situ de metales pesados. Tesis Doctoral. Universidad Politcnica de Catalua, Barcelona..

Manahan Stanley E., Introduccin a la Qumica Ambiental. 2007. Ed Revert. Espaa. 227p.

Metcalf & Eddy, INC. 1991.Wastewater Engineering. McGraw Hill Book Company. 358-362p.

R.S Ramalho. 2003. Introduction to Wastewater Treatment Processes, second edition.

Editorial Reverte.585-589p.

Medrano Roldn Hiram. 2000. Biotecnologa de Minerales. Editado por COCyTED. Durango,

Mxico. 235,236p.

Tenorio, G. 2006. Caracterizacin de la biosorcin de cromo con hueso de aceituna.

Universidad de Granada. Departamento de Ingeniera Qumica. Tesis Doctoral..

Vilchez, R. 2005.Eliminacin de metales pesados en aguas mediante sistemas de lechos sumergidos: estudio microbiolgico en las bio-pelculas. Tesis Doctoral. Universidad de Granada, Espaa.

W J. Weber, JR. 2003. Control de la calidad del agua. Procesos fisicoqumicos. Editorial Revert. S.A. 217-222p.

W. Wesley Eckenfelder, JR. 1998. Industrial Water Pollution Control. McGraw-Hill Book Company. 263-265p.

Adsorción de Metales Pesados.

Documents

Transcript of Adsorción de Metales Pesados.