Escuela Politécnica nacionalIngeniería ambiental

Control de la calidad del aire

Nombre: Cristian ReyesFecha: Quito/2012-05-15

Obtención del carbón activado a través de la pirolisis

El residuo carbonoso generado a partir de la pirólisis presenta características adsorbentes y puede ser empleado como un carbón activo debido a la elevada composición de carbono,(Colín, 2003, Sánchez, 2004) éste es empleado par eliminar agentes contaminantes; en efecto, la eliminación de compuestos orgánicos por sorción sobre carbón activo en grano o en polvo se utiliza frecuentemente en las plantas de tratamiento para agua potable, dada su alta versatilidad, el carbón activo posee buenas propiedades adsorbentes para una amplia gama de contaminantes orgánicos e inorgánicos. Sin embargo, la instalación del tratamiento necesita de estudios previos de laboratorio y/o a escala piloto, para elaborar modelos de simulación del proceso de sorción, utilizando reactores perfectamente agitados o lechos granulares filtrantes. (Sánchez, 2004).

Estudio

El carbón activado se obtuvo de un proceso previo de pirólisis de lodo residual a 500°C, con las siguientes características: granulometría 0.84 mm yl coeficiente de uniformidad de 1.45, área

superficial 25.5312 m2/g, densidad 0.5010 g/mL, índice de yodo 325.75 mg ± 51.91 g de Yodo / g de ceniza, índice de azul de metileno 23.59 g de azul de metileno/100 g de ceniza y para índice de melaza no hay adsorción. El carbón activo proveniente de la pirólisis de lodos residuales fue caracterizado por microscopía electrónica de barrido de bajo vacío (MEB) y microanálisis estructurales para conocer la morfología y composición elemental.

En relación a la detección de metales pesados en soluciones acuosas se construyeron curvas de calibración con estándares analíticos de cadmio (Cd) y plomo (Pb). En el caso de cadmio se realizó una mezcla 1:1 de solución de cadmio (II) y plomo (II) con una concentración de 100 mg/L, a partir de la cual se realizaron una serie de diluciones de 0.1, 0.3, 0.5, 1, 1.5, 2 y 2.2 mg/L, debido a que se tuvieron problemas para obtener una tendencia lineal en el método para la lectura de cadmio, se decidió preparar diluciones hasta 2.2 mg/L a pH 6.

Una vez preparadas las soluciones se les determinó la absorbancia respectiva en un espectrofotómetro de absorción atómica marca SOLAAR, y se empleó una lámpara de cadmio a una longitud de onda de 228.8 nm. Por otra parte se preparó una curva estándar para la detección de plomo en el intervalo de 0 mg/L a 22 mg/L a pH 6, para ello se realizó una mezcla 1:1 de solución de plomo (II) y cadmio (II) conteniendo las siguientes concentraciones, 2, 5, 10, 15, 22 mg/L a partir de las soluciones estándares analíticos (1000 mg/L) y se llevaron a un aforo de 50 mL. Se determinaron las absorbancias en el espectrofotómetro, empleando una lámpara de plomo a una longitud de onda de 217.0 nm, para determinar la lectura de plomo en solución acuosa.

Para determinar la capacidad de adsorción del carbón activo frente a cadmio y plomo se empacó un una columna de vidrio (16 cm de altura y 1 cm de diámetro) con el carbón activo y se hizo pasar una solución de 20 mg/L de Pb y Cd respectivamente. Cada 10 minutos se tomaron muestras del efluente y se analizaron mediante espectrofotometría de absorción atómica para determinar la

concentración adsorbida. Además se consideró para el análisis el tiempo de contacto y el volumen de agua tratada.

RESULTADOS Los resultados de la microscopía electrónica son presentados en la Figura 1, la cual presenta una imagen del carbón activo obtenido después del proceso de pirólisis, podemos observar la porosidad del material, en donde se llevan a cabo los fenómenos de superficie activa como la adsorción. La composición del carbón activo es principalmente Carbono, oxígeno, calcio y silicio. Existe también la presencia de algunos metales como Titanio, Cromo y Hierro que se encuentran en porcentajes muy pequeños que al análisis por Absorción Atómica de los lixiviados por lavado ácido después del proceso de pirólisis, como lo muestra el análisis de energías en la Figura 2.

Figura 1. Imagen MEB de Carbón activo proveniente de la pirólisis de lodos residuales

Figura 2. Microanálisis elemental (EDS) de cenizas de lodos residuales

Para cada metal se realizó una curva de carga de adsorción, los datos fueron analizados por una regresión no lineal usando el software ORIGIN (version 7) empleando un modelo sigmoidal, como lo muestra la Figura 3. mediante la cual se puede determinar el punto de ruptura y punto de quiebre.

Figura 3. Cinéticas de adsorción de cadmio y plomo en sistema acuoso por medio de carbón activo proveniente de la pirólisis de lodos residualesLos resultados de la cinética de sorción se muestran en la Tabla I. Para el caso de cadmio se observó un punto de quiebre a los 4 minutos, correspondientes a un volumen de 0.02 litros de agua tratada, y el punto de saturación se obtuvo a los 160 minutos con un volumen de 0.8 litros. Mientras que la adsorción de plomo en solución presentó un punto de quiebre a los 80 minutos correspondiente a un volumen de 0.4 litros y el punto de saturación se obtuvo a los 200 minutos correspondiente a un volumen de 1 litro, respectivamente, lo que se observa que el plomo tarda más tiempo en adsorberse. Esto puede deberse a las especies químicas formadas a pH=6.

Tabla I. Puntos de ruptura y saturación de la columna empacada con carbón activo proveniente de la pirólisis de lodos residuales. Posteriormente se procedió a calcular la capacidad de adsorción del carbón activo proveniente de la pirólisis de lodos residuales empleando el Modelo de Thomas. La ecuación de Thomas es: Ce/Co=1/(1 + exp [(KT(qom-CoV))/Q]), resolviendo: KT, Constante de Thomas y qo, la capacidad

máxima de adsorción, se tiene para cadmio KT = 1.42 mL/min.mg y qo= 1.06 mg/g. Mientras que,

para plomo, KT= 2.1 mL/min.mg y qo= 1.5 mg/g, respectivamente. En la Tabla II se muestra un

resumen de los resultados obtenidos.

Tabla II. Adsorción de cadmio y plomo por carbón activo proveniente de la pirólisis de lodos residuales, empleando el Modelo de Thomas.

Bibliografía

Gutiérrez,E., “Aplicación del modelo de thomas para la adsorción de cadmio y plomo en columna empacada con carbón activado” http://www.uaemex.mx/Red_Ambientales/docs/memorias/Extenso/TA/EO/TAO-06.pdf (Mayo 2012)