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ARJÉ. Revista de Postgrado FaCE-UC. Vol. 10 N° 18 . Enero– Junio 2016/ pp.333-340.

ISSN-e 2443-4442 , ISSN-p 1856-9153

Evaluación preliminar de sistemas de intercambio iónico obtenidos de la borra del café...

Sánchez Víctor, Centeno Lloani, Salas Jesús

EVALUACIÓN PRELIMINAR DE SISTEMAS DE

INTERCAMBIO IÓNICO OBTENIDOS DE LA BORRA DEL

CAFÉ APLICADO COMO DISPOSITIVO PARA

ABLANDAMIENTO DE AGUAS

Resumen

En la presente investigación se realiza el estudio pre-liminar de sistemas de intercambio iónico obtenidos a partir de la borra del café que permita disminuir la cantidad de sales e iones presente en las aguas y su contribución en los procesos de ablandamiento de aguas. Adicionalmente, se busca minimizar uno de los causantes de la corrosión y el taponamiento en las tuberías por el exceso de sales tales como carbo-nato de calcio y de magnesio; para ello, se toma co-mo punto de referencia el agua de la región de Cabu-dare en el estado Lara por presentar un nivel de du-reza bastante elevado y también en la región de Na-guanagua en el estado Carabobo, con el objetivo de realizar comparaciones. La borra del café, debido a sus propiedades se hace materia de estudio como base de intercambiador iónico para llevar a cabo la disminución considerable de la dureza del agua. Di-cha investigación posee un tipo explicativo bajo un diseño de experimento puro. Como muestra se tomó aguas blancas de las tuberías de la región de Cabu-dare ubicada en el municipio Palavecino Estado Lara y de la Facultad de Ciencias de la Educación de la Universidad de Carabobo para realizar comparacio-nes en cuanto a su dureza.

Palabras clave: café, dureza, agua, intercambio ió-

nico, titulación

PRELIMINARY EVALUATION OF ION EX-CHANGE SYSTEMS OBTAINED FROM LEES

OF COFFEE APPLIED AS A DEVICE FOR WATER SOFTENING

Abstract

This is a preliminary study of ion exchange systems obtained from lees of coffee to make possible the reduction of the amount of salts and ions in the wa-ter, and how it contributes to different water soften-ing techniques. Additionally, it is intended to mini-mize one of the causes of corrosion and pipes clog-ging for excess of salts such as calcium and magnesi-um carbonates; to get this, Cabudare area water, in Lara State, is taken as a reference point because it has a fairly high level of hardness, and also in Naguanagua area, in Carabobo State, in order to compare them. For the properties of the lees of cof-fee, becomes a subject of study as the basis of ion exchanger to carry out a significant decreasing in water hardness. This research is of an explanatory-type with a pure experiment design. As a sample, white water was taken from the pipes in Cabudare area, located in the Palavecino munici-pality, in Lara State, and also from the Faculty of Education at the University of Carabobo; this with the purpose of making comparisons on hardness. Keywords: coffee, hardness, water, ion ex-change, titration.

Recibido: 24/01/2015 Aceptado: 13/10/2015

Víctor Sánchez

Doctor en Ciencias, mención: Química

Universidad de Carabobo

[email protected]

CAFÉ APLICADO COMO DISPOSITIVO PARA

Lloani Centeno

Lic. en Educación, mención Química


[email protected]

Jesús Salas

Lic. en Educación, mención Química


[email protected]

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Planteamiento de problema

El agua es un recurso fundamental e importante en

los seres vivos, y necesario para todos

los procesos vitales. Actualmente hay una dismi-

nución de este preciado líquido, causado por di-

versos factores, tales como, el cambio climático

ocasionado por el calentamiento global, la falta de

conciencia en su mal uso, entre otros. En el pasa-

do, la mayor causa de las guerras en las naciones

era por el petróleo; hoy por hoy, se piensa que en

el futuro las discrepancias entre las naciones se

deberán a la falta de este recurso, que es llamado

por el Profesor Herrera T. “Oro blan-

co.” (Entrevista personal, en Valledupar, Colom-

bia, 26 de abril del 2011). La escasez de este líqui-

do natural en muchas naciones, ha obligado a ha-

cer un llamado a la población mundial, para que

haya una moderación en cuanto al consumo de

este recurso, ya que sin la colaboración de todas

las naciones, los esfuerzos que se llevan a cabo

por las organizaciones son insuficientes.

De acuerdo con lo que establece Wilkinson

(2011), la expansión de las ciudades en los gran-

des países, ha originado que el saneamiento y po-

tabilización del agua, así como el suministro de la

misma para su consumo final, sea cada vez un te-

ma de gran importancia para los gobiernos; debido

a que tradicionalmente este servicio es identifica-

do con el sector público y con la concepción del

acceso al agua como derecho básico. Aunado a

esto, la crisis económica mundial y la reestructu-

ración de los países en desarrollo traen como con-

secuencia que las organizaciones multilaterales

como el Banco Mundial (BM) y Banco Interame-

ricano de Desarrollo (BID) presenten la opción de

privatización de estos servicios como la solución

al acceso en lo que respecta a los servicios de

agua, ya que permitiría crear conciencia en las so-

ciedades y un verdadero pensamiento de control

en el consumo y minimización en el despilfarro de

tan preciado líquido.

Por otro lado, cabe destacar que Latinoamérica y

el Caribe no escapa de esta perspectiva (Marrero

2011), y aunque contiene un mayor número de

recursos de agua potable comparado con otros

continentes, el problema del agua de igual forma

le ha afectado, y se ha vuelto una gran problemáti-

ca para los países que se encuentran en vías de

desarrollo. Por otro lado, la educación ambiental

cumple un rol muy importante porque a través de

ella, se busca abordar la problemática creando

conciencia en los individuos y promoviendo el uso

racional en las comunidades, además de que pue-

dan identificar el estado en que se encuentra el

agua y a su vez ser tratada; sin embargo, los siste-

mas de purificación tienen costos bastantes eleva-

dos, por lo que se requieren métodos que además

de mejorar la calidad del agua, permitan reducir

costos.

Venezuela es unos de los países que cuenta con

una gran cantidad de recursos hídricos en Latino

América, y por ende, tampoco se escapa de no po-

seer en muchos lugares el agua potable de calidad

para el uso y consumo humano. Siendo uno de los

temas que necesita mayor interés por parte de los

organismos competentes, y de igual forma de las

comunidades que muchas veces se muestran indi-

ferentes ante esta problemática del vital líquido.

Al respecto León (2012) califica de lamentable la

indiferencia de la población ante un problema que

tendrá repercusiones a corto, media y largo plazo;

dando importancia en hacer un llamado de aten-

ción a las comunidades para que estén siempre

alerta ya que el uso y consumo de aguas de pobre

calidad, tiene graves consecuencias.

Adicionalmente, el agua definida como "dura" se

refiere a que posee altas concentraciones de mine-

rales disueltos, específicamente calcio y magne-

sio. Esta representa un riesgo latente para la salud

debido a su participación en el desarrollo de la

litiasis urinaria; además, es una molestia por su

tendencia a causar la acumulación de minerales en

la tubería de agua y sistemas de calefacción, y su

pobre rendimiento con el jabón o detergentes en

http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE

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comparación con agua blanda. El agua es un buen

solvente en donde se disuelven y dispersan impu-

rezas fácilmente, debido a que en su desplaza-

miento a través del suelo y rocas arrastra los mine-

rales, manteniéndolos en solución. Los minerales

más comunes disueltos en el agua son el calcio y

el magnesio; siendo estos los responsables del gra-

do de dureza del agua, el cual aumenta directa-

mente proporcional con el contenido de estos.

En base a lo anteriormente expuesto, son muchas

las causas que están afectando el agua en la región

y es por ello la necesidad de buscar alternativas y

procesos de mejoramiento de la calidad del agua

con niveles de costos bajos para uso y consumo

humano.

En tal sentido, se pretende realizar el estudio preli-

minar de sistemas de intercambio iónico obtenidos

a partir de la borra del café que permita disminuir

la cantidad de sales e iones presente en las aguas y

su contribución en los procesos de ablandamiento

de aguas. Adicionalmente, se busca minimizar

uno de los causantes de la corrosión y el tapona-

miento en las tuberías por el exceso de sales tales

como carbonato de calcio y de magnesio; para

ello, se toma como punto de referencia el agua de

la región de Cabudare en el estado Lara por pre-

sentar un nivel de dureza bastante elevado y tam-

bién en la región de Naguanagua en el estado Ca-

rabobo, con el objetivo de realizar comparacio-

nes. La borra del café, debido a sus propiedades se

hace materia de estudio como base de intercam-

biador iónico para llevar a cabo la disminución

considerable de la dureza del agua

Objetivos de la investigación

Objetivo general

Evaluar sistemas preliminares de intercambio ió-

nico obtenidos con borra del café, aplicado como

sistemas de ablandamiento de aguas

Objetivos específicos

.- Preparar la fase fija del intercambiador iónico

aplicando técnicas de sulfonación de la borra de

café.

.- Evaluar las diferentes muestras de agua, utili-

zando técnicas de titulación para conocer la efecti-

vidad del sistema como ablandador de agua.

.- Establecer el método de reactivación del siste-

ma de intercambio iónico.

Antecedentes de la investigación

A continuación se presentan algunos estudios re-

ferentes a la investigación que son de valioso inte-

rés y que presentan concordancia con el desarrollo

del tema

Hernández y Parra (2011), realizaron un estudio

titulado: “Caracterización de la biodiversidad de

los hifomicetos acuáticos a través de las técnicas

físico-químicas y microbiológicas para determi-

nar la calidad del agua en la quebrada la estación

de la hacienda la Guaquira “(Edo Yaracuy). El

objetivo principal de esta investigación fue la ca-

racterización de la biodiversidad de los hifomice-

tos acuáticos a través de las técnicas físico-

químicas para mejorar la calidad del agua. El tipo

de investigación fue experimental bajo la modali-

dad experimentos puros. Las muestras fueron to-

madas en forma de espuma para los estudios de

las especies acuáticos y en agua para realizar los

análisis físico-químicos y microbiológicos. Las

muestras obtenidas cada 15 días durante 8 meses

en dos puntos elegidos de la quebrada, fueron to-

madas en las mañanas, trasladadas sobre hielo al

laboratorio para su caracterización. Los paráme-

tros físico-químicos y microbiológicos estimados

en la quebrada, determinó la clasificación del agua

como tipo 4, mientras que la biodiversidad de

hofomicetos acuáticos fue de 16 especies.

Este trabajo se toma como referencia por la meto-

dología utilizada, la cual fue de tipo experimental

y las técnicas físico-químicas que permitieron de-

terminar la calidad del agua, lo cual está relacio-

nado con el presente estudio, ya que a través del

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intercambio iónico se busca disminuir la dureza

del agua y a su vez mejorar la calidad de la mis-

ma. Por lo que se puede acotar la importancia de

la investigación y su referencia con respecto al

trabajo titulado.

Farías (2008),llevo a cabo una investigación titu-

lada “Evaluación de las características físico-

químicas de las Aguas Termales del Municipio

Aguas Calientes de la Región de Mariara, Estado

Carabobo”, dicha investigación fue realizada en

el departamento de química de la Facultad Experi-

mental de Ciencias y Tecnología de la Universi-

dad de Carabobo, y tuvo como objetivo caracteri-

zar aguas mediante análisis físico-químicos y su

relación con posible efectos tóxicos observados en

la población, la investigación se basó en un traba-

jo de campo de tipo descriptivo, determinándose

que los parámetros con mayor concentración, que

están fuera de especificación y los más dañinos

para la salud del hombre son: aluminio, sílice,

fluoruros y sulfuros.

Este trabajo también tiene relevancia con la inves-

tigación, debido a que se aplican técnicas y análi-

sis físico-químicos para mejorar la calidad del

agua, en este caso disminuir la dureza que también

es un parámetro químico que en cierta forma afec-

ta a la población tanto a nivel de su estado de sa-

lud como a nivel social y ambiental.

Fundamentación teórica

El agua es un bien escaso pero imprescindible, la

mayor parte del agua que se utiliza para usos in-

dustriales o urbanos se toma de los ríos o pozos y

contiene cantidades variables de sales de calcio y

magnesio, las cuales pueden dar problemas para

ciertos usos. Cuando las cantidades de iones Ca2+

y Mg2+ son elevadas, el agua se denomina “dura”.

Si dichas sales van acompañadas de cantidades

importantes de aniones de hidrógeno carbonato

(bicarbonato), parte de la dureza puede eliminarse

por ebullición, lo que produce un desplazamiento

de la siguiente reacción de equilibrio:

Ca2+ + 2 HCO3

-<===> CaCO3

(s) + H2O + CO2(g)

Con precipitación de carbonato de

calcio.

Por otra parte es importante mencionar que un

factor crítico en el procesamiento de alimentos es

la dureza del agua, ya que esta puede afectar drás-

ticamente la calidad de un producto a la vez que

ejerce un papel en las condiciones de salubridad.

La dureza del agua mide la concentración de com-

puestos minerales que hay en una determinada

cantidad de agua, especialmente carbonato de cal-

cio y magnesio

La dureza del agua está relacionada con la canti-

dad de cationes metálicos, excepto metales alcali-

nos, que están presentes en ella y que pueden exis-

tir como carbonatos o bicarbonatos. Entre estos

metales están el calcio, magnesio, hierro, bario,

estroncio. Debido a que la concentración de iones

calcio y magnesio es mucho mayor que la de los

demás cationes, se asume que la dureza del agua

está representada por el contenido de estos iones,

expresado como carbonato de calcio, CaCO3.

(Literat, 1975).

Esta cantidad de sales afecta la capacidad de for-

mación de espuma de detergentes en contacto con

el agua y representa una serie de problemas de

incrustación en equipo industrial y doméstico ade-

más de resultar nociva para consumo humano. El

problema de las incrustaciones no ha disminuido y

es de consideración muy importante, principal-

mente en la industria, porque las incrustaciones

pueden obstruir las tuberías a tal grado que se pro-

duzcan explosiones o que se inutilicen las unida-

des de los procesos industriales, resultando más

económico darle a las aguas un tratamiento de

ablandamiento, que sustituir tuberías, equipo, etc.

La dureza la adquiere el agua a su paso a través de

las formaciones de roca que contienen los elemen-

tos que la producen. El poder solvente lo adquiere

el agua, debido a las condiciones ácidas que se

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desarrollan a su paso por la capa de suelo, donde

la acción de las bacterias genera CO2, el cual exis-

te en equilibrio con el ácido carbónico. En estas

condiciones de pH bajo el agua ataca las rocas,

particularmente a la calcita (CaCO3), entrando los

compuestos en solución.

Las aguas se pueden clasificar de acuerdo al valor

de la dureza total (Ca+2 + Mg+2) según lo indica la

siguiente tabla:

Intercambio iónico

El intercambio iónico es una operación de separa-

ción basada en la transferencia de materia fluido-

sólido. Implica la transferencia de uno o más iones

de la fase fluida al sólido por intercambio o des-

plazamiento de iones de la misma carga, que se

encuentran unidos por fuerzas electrostáticas a

grupos funcionales superficiales. La eficacia del

proceso depende del equilibrio sólido-fluido y de

la velocidad de transferencia de materia. Los sóli-

dos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más

habituales los basados en resinas sintéticas. El in-

tercambio iónico puede explicarse como una reac-

ción reversible implicando cantidades química-

mente equivalentes.

Además de su clásica aplicación en tratamiento de

aguas, la tecnología de intercambio iónico se apli-

ca a distintos procesos dentro de la industria, co-

mo purificación, catálisis, recuperación de metales

valiosos...etc.

Metodología

La presente investigación posee un tipo explicati-

vo, de acuerdo con el alcance, ya que Hernández,

Fernández y Baptista (2003), señalan que “el pro-

pósito de esta investigación va más allá de la des-

cripción de conceptos, fenómenos o del estableci-

miento de relaciones que están dirigidas a respon-

der las causas de los eventos, sucesos y fenóme-

nos físicos o sociales”. (p.126). en tal sentido la

presente investigación busca evaluar la aplicación

de los sistemas de intercambio iónico obtenidos

de la borra del café aplicado como sistemas de

ablandamiento de aguas. Adicionalmente,

está enmarcada bajo un diseño de experimento

puro, ya que se busca evaluar el sistemas de inter-

cambio iónico obtenidos por la borra del café

(variable independiente), aplicado como sistemas

de ablandamiento de aguas (variable dependiente).

En este sentido, la población y muestras como el

área de análisis objeto de la investigación lo con-

formará el área hidrográfica de las tuberías de

aguas blancas de la región de Naguanagua y Ca-

budare ubicada en los municipios Naguanagua,

Edo. Carabobo y Palavecino, Edo. Lara, respecti-

vamente. Las técnicas a emplear en esta investiga-

ción son técnicas analíticas y físico-químicas, ade-

más de la observación directa, lo cual permitirá

cumplir con los parámetros adecuados y obtener

una información más precisa.

Los métodos por titulación, nos permiten determi-

nar la cantidad de reactivo de concentración cono-

cida que se necesita para reaccionar por completo

con el analito a estudiar y así conocer volumétri-

camente la concentración del mismo; en base a

esto podemos determinar la dureza del agua; la

dureza total, cálcica y magnésica por el método de

volumetría de formación de complejos

(Agrifolio,1990; Yappert y DuPré, 1997; Mitchell,

1997; Sieget, 1998).

El intercambio iónico es una técnica que permite

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intercambiar iones entre un líquido y un sólido

(este solido es el “intercambiador”). El sólido es

llamado resina, y hay de dos tipos: las resinas ca-

tiónicas, que intercambian cationes, y las anicóni-

cas, que como su nombre lo indica intercambian

aniones. Para el ablandamiento del agua, se utili-

zan resinas de intercambio catiónico, ya que se

desea remover los cationes Ca2+ y Mg2+. La resina

inicialmente está cargada de cationes sodio

(Na+), y estos serán los iones que pasaran al líqui-

do al mismo tiempo que los cationes Ca++ y

Mg++ quedaran retenidos en la resina. De allí el

nombre de la técnica, los iones son literalmente

intercambiados.

En esta investigación se utilizó la borra del café

como soporte para el sistema de intercambio ióni-

co, para ello este residuo se someterá a un proceso

de limpieza de residuos orgánicos y colorantes,

para luego realizar una digestión con Ácido sulfú-

rico fumante, con la finalidad de generar los sitios

activos sulfónicos donde coexistirán los iones para

llevar a cabo un intercambio iónico efectivo. La

activación del soporte se realiza con una solución

saturada de cloruro de sodio y finalmente el so-

porte ya activado es utilizado como fase fija para

el proceso de intercambio iónico y así disminuir la

dureza del agua.

Análisis e interpretación de resultados

El análisis fundamental de los resultados obteni-

dos tiene su importancia en la efectividad del sis-

tema de intercambio iónico utilizado para el

ablandamiento de agua ya que se está utilizando

un soporte como fase fija que es un material de

desecho común (Borra de café) y que posee buena

estabilidad como tal; adicionalmente el método

utilizado para la preparación de la fase de inter-

cambio, consiste en sulfonar la mayor superficie

posible de la fase fija con la finalidad de generar

una gran cantidad de centros activos que permitan

el intercambio iónico para disminuir la cantidad

de magnesio y calcio presentes en aguas duras,

con el propósito de mejorar la calidad del agua. El

ácido sulfúrico fumante interacciona con la fase

fija incorporando a esta el grupo sulfónico (-

SO2OH), el cual será el centro activo para que

ocurra el intercambio iónico; posteriormente la

incorporación de una solución saturada de Cloruro

de Sodio (NaCl) a la fase fija previamente sulfo-

nada produce la interacción de los centros donde

se encuentra el grupo sulfónico incorporando el

ion sodio (Na+); activando así el sistema de inter-

cambio Iónico, el cual persigue intercambiar los

iones Calcio y Magnesio que contiene el agua du-

ra por iones Sodio, mejorando la calidad del agua

y eliminando de esta la mayor cantidad de iones

perjudiciales para el consumo humano.

Según los resultados obtenidos, se puede observar

en la tabla I, que los valores de dureza del agua

sin tratamiento son elevados, clasificando el agua

de Naguanagua como semidura y el agua de Ca-

budare como muy dura. Posteriormente, al trata-

miento de estas a través del intercambiador a base

de borra de café, los valores obtenidos (tabla II)

de dureza disminuyeron en un 33,33 % ambas,

mostrando así que el sistema de intercambio Ióni-

co redujo la dureza del agua estudiada, en un por-

centaje significativo, obteniendo resultados repro-

ducibles con la regeneración de la fase fija.

Tabla II . Volumen de Titulación del agua sin

tratamiento para la determinación de su dureza

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Conclusiones

.- La borra de café es un subproducto que puede

ser utilizado como soporte iónico para disminuir

considerablemente la dureza del agua.

.- Se logró la generación de los sitios activos en la

superficie del intercambiador, utilizando la sulfo-

nación mediante digestión acida.

.- Para ambas muestras de aguas procesadas con el

intercambiador iónico obtenido, se logró la dismi-

nución de la dureza de agua en un 33,33%.

Recomendaciones

.- Llevar a cabo la caracterización de la borra de

café a través del estudio de la química superficial.

.- Realizar estudios de Infra-Rojo con transforma-

da de Fourier, para identificar los grupos funcio-

nales principales sobre la borra de café responsa-

bles del proceso de intercambio iónico.

.- Realizar ensayos en proceso continuo evaluan-

do las curvas de ruptura y los caudales

Referencias

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