Tratamiento de colorantes con carbón activado

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Tratamiento de colorantes con carbón activado.

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA

INFORME N2CARACTERIZACIN DE UN RESIDUO LQUIDO REMOCIN DE UN CONTAMINANTE DEL LQUIDO

CURSO:Fundamentos de Ingeniera Ambiental

INTEGRANTES:Felipe Anabaln Q.

Natalia Corrales G.

Fernanda Melndez A.

Carlos Riveros B.

PROFESOR:Ernesto Pino C.

AYUDANTE:Carlos Ros B.

FECHA EXPERIENCIA:15 de diciembre de 2015.

FECHA DE ENTREGA:29 de diciembre de 2015.

RESUMEN

En la experiencia realizada el da viernes 15 de diciembre de 2015 en el laboratorio de cintica, ubicado el segundo piso del departamento de Ingeniera Civil Qumica de la Universidad de Santiago, se evalu la capacidad adsortiva que presentan el carbn activado y la turba, frente a un contaminante como los colorantes. Para situar el experimento se mas 50 [mg] de carbn activado y turba para luego en un matraz Erlenmeyer adicionar el colorante diluido con el carbn activado o la turba, luego de eso se agit alrededor de una hora, para despus filtrarlos mediante filtracin al vaco.

La solucin filtrada obtenida en el matraz de Kitasato es empleada en un pequeo prisma que va hacia el espectrmetro, para medir la adsorbancia del carbn activado y la turba con sus respectivos colorantes.Al conocer los resultados de adsorbancia antes y despus, se pudo calcular el porcentaje de remocin de carbn activado fueron de 82,2% colorante naranjo, 84,4% colorante azul y 99,4% colorante negro. Para la turba vegetal fueron de 15,8% colorante naranjo, 22,0% colorante azul y 48,6% colorante negro. Dando como resultado que el carbn activado es mejor removedor de colorantes que la turba, pero que a su vez a escala industrial es ms caro.

Para que los resultados no se vean afectados se recomienda que al momento de agitar sea con calma y lentitud, para evitar que se adhiera a las paredes del vaso de precipitado el carbn activado o la turba, perdiendo as superficie de adsorcin.

NDICE

11.OBJETIVOS

22.MARCO TERICO

53.EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS

74.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

85.DATOS

96.RESULTADOS

117.DISCUSIONES

138.CONCLUSIONES

19.RECOMENDACIONES

41510. NOMENCLATURA

11. BIBLIOGRAFIA16APNDICE APNDICE A : Curvas de calibracin.APNDICE B:Resultados Intermedios.APNDICE C: Ejemplos de calculos.

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo Principal: Evaluar la capacidad adsortiva que presentan el carbn activado y la turba, frente a un contaminante como los colorantes. 1.2. Objetivos Secundarios: -Predecir la naturaleza qumica de los colorantes a partir del comportamiento con el adsorbente.- Explicar el comportamiento de los colorantes para cada adsorbente.2. MARCO TERICOLa industria textil es considerada como uno de los principales generadores de contaminantes de agua y desechos peligrosos debido a que en el proceso de fabricacin incluye diversas etapas que provocan una seria contaminacin al medio ambiente. Los principales puntos de generacin de contaminantes estn centrados en el manejo de materiales peligrosos, emisiones al aire, residuos slidos y lquidos, consumo de energa y generacin de grandes cantidades de aguas residuales altamente coloreadas y constituidas por compuestos difcilmente biodegradables.

Los colorantes estn formados por un grupo de tomos responsables del color (cromforos). Los grupos cromforos ms comunes son los azo (-N=N-), carbonilo (C=O), metilo (-CH3), nitro y grupos quinoides.El tratamiento de aguas residuales de la industria textil es un problema ambiental al que se le ha dado atencin, ya que muchos colorantes afectan la actividad biolgica de los cuerpos de agua, causan una limitada penetracin de la luz y generan aminas txicas a partir del rompimiento del grupo azo de los colorantes utilizados. Para su tratamiento existen diferentes procesos como: coagulacin qumica, tratamiento biolgico, proceso Fenton, oxidacin electroqumica, ozonizacin, adsorcin, ultrafiltracin y electrocoagulacin, estos procesos pueden ser aplicados para remover colorantes de las aguas residuales, pero cada mtodo tiene sus limitaciones tcnicas y econmicas.

El proceso de adsorcin consiste en colocar en contacto un fluido (lquido o gas) con un slido. Uno o ms de los componentes del fluido son atrados a la superficie del adsorbente. La magnitud de la adsorcin depende, en su mayora, de la naturaleza del slido y de las molculas que estn siendo adsorbidas, as como de la concentracin y la temperatura. Al aumentar la superficie del adsorbente y la concentracin del adsorbato, aumenta la cantidad adsorbida.

Se pueden diferenciar tres tipos de adsorcin, dependiendo de qu tipos de fuerzas existan entre el soluto y el adsorbente. Estas fuerzas pueden ser de tipo elctrico, de fuerzas de Van der Waals o de tipo qumico.

Adsorcin por intercambio: Es un proceso mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atraccin electrosttica en los lugares cargados de la superficie. Para dos adsorbatos inicos posibles, a igualdad de otros factores, la carga del in es el factor determinante en la adsorcin de intercambio.

Adsorcin debida a fuerzas de Van der Waals o adsorcin fsica: La molcula adsorbida no est fija en un lugar especfico de la superficie, sino ms bien est libre de trasladarse dentro de la interfase. Esta adsorcin, en general, predomina a temperaturas bajas. La adsorcin de la mayora de las sustancias orgnicas en el agua con carbn activado se considera de naturaleza fsica.

Adsorcin qumica, adsorcin activa o quimisorcin: El adsorbato sufre una interaccin qumica con el adsorbente. Las energas de adsorcin son elevadas, del orden de las de un enlace qumico, debido a que el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente. Esta adsorcin suele estar favorecida a una temperatura elevada.

En la adsorcin, el adsorbente, ms utilizado es el carbn activado y est considerado por la Agencia de la Proteccin del Medio Ambiente como una de las mejores tecnologas disponibles para la remocin de contaminacin por colorantes. Sin embargo, los altos costos de este material, han llevado a la bsqueda de materiales alternativos como por ejemplo la turba.

2.1 Adsorcin con Carbn Activo:

Se mencion que la adsorcin es un proceso donde un slido se utiliza para eliminar una sustancia soluble del agua, en este proceso el carbn activo es el slido. El carbn activo se produce especficamente para alcanzar una superficie interna muy grande (entre 500-1500 ). Al ser grande esta superficie interna, hace que el carbn tenga una adsorcin ideal.

El carbn activo viene en dos variaciones: Carbn activado en polvo (PAC) y Carbn activado granular (GAC). La versin de GAC se utiliza sobre todo en el tratamiento de aguas.

El nivel de actividad de la adsorcin por carbn activado depende de la concentracin de la sustancia en el agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar no puede ser eliminada o es malamente eliminada por el carbn activo, una sustancia no polar puede ser totalmente eliminada por el carbn activo.

2.2 Adsorcin con Turba:La turba es un material que procede desde la descomposicin de la madera y de los bosques en climas muy fros, como sucede en Magallanes. Por lo mismo, es posible encontrarla en pantanos y humedales a lo largo y extenso de la Patagonia. Es un material alternativo, de menor costo econmico que el carbn activado, ya que es un combustible fsil de poco valor energtico.

La turba posee una elevada capacidad de intercambio catinico, un pH que vara de 3 a 4 (turba rubia) y de 7,5 a 8 (turba negra), posee gran capacidad de retencin debido a su estructura porosa, lo cual, convierte a la turba en un buen adsorbente.

La turba es extraordinaria para adsorber una gran variedad de contaminantes como derrames incontrolados de hidrocarburos y sus derivados, resolviendo as graves problemas medioambientales.3. EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS

Tabla 3.1 Descripcin de aparatos utilizados

AparatoDescripcin

EspectrofotmetroFabricante: RAYLEIGH

Modelo: Vis-723G

Gama de longitud de onda: 320-1100 nm.

Exactitud de longitud de onda: 0,5nm

Gamma fotomtrica: -0,3-3 A

Dimensiones: 530 x410 x 210 mmPeso: 18 kg

Procedencia: China

BombaFabricante: LEYBOLDModelo: S1.5

Velocidad de Bombeo: 1,9 Fase de alimentacin: 220V, 50HzProcedencia: Alemania

BalanzaFabricante: SartoriusModelo: 1602 MP

Precisin: 0,1 mgMximo de medicin: 160 g

Procedencia: Alemania

Tabla 3.2 Descripcin de accesorios utilizados

AccesorioDescripcin

PrefiltroFabricante: MicrolarModelo: FFGVelocidad de filtrado: 22 s

Temperatura Mx. de Trabajo: 200CProcedencia :Argentina

Vaso precipitadoFabricante: PYREXCapacidad: 500 mLTipo: Vidrio

Precisin: 0,05

Continuacin tabla 3.2TemporizadorFabricante: SamsungModelo: Galaxy Grand PrimeProcedencia: ChilePrecisin:0.1 s

PipetaFabricante: HBGCapacidad: 5 mLTipo: Vidrio

Precisin: 0,1

Procedencia: Alemania

GuantesFabricante: MUNCARE Tipo: LatexProcedencia: Argentina

PropipetaFabricante: Deutsch & NeumannTipo: PlsticoProcedencia: Alemania

Matraz ErlenmeyerFabricante: DURANTipo: Cuello estrechoCapacidad:500 mL

Tipo: VidrioProcedencia: Alemania

Matraz KitasatoFabricante: Pyrex

Modelo: STOPPER N7

Capacidad: 500 [mL]

Sensibilidad: 50 [mL]

Tabla 3.3Descripcin de fluidos utilizados

FluidoDescripcin

Tinta Naranja ReactivaConcentracin: 0,25 g/L

Tinta NegraConcentracin: 0,25 g/L

Tinta azulConcentracin: 0,25 g/L

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En el laboratorio, hay que tener en cuenta las siguientes normas de seguridad antes de comenzar con cualquier experiencia: No fumar, comer o beber en el laboratorio. Utilizar bata, en caso de tener cabello largo, recogerlo. No probar ni ingerir los reactivos. En caso de producirse un accidente, quemadura o lesin, comunicar inmediatamente al profesor. Mantener el rea de trabajo limpia y ordenada. Fijarse en los signos de peligrosidad que aparecen en los frascos de los productos qumicos. Al acabar la prctica, limpiar y ordenar el material utilizado. Una vez, tomadas las precauciones correspondientes, se procedi a trabajar:4.1Inicialmente se masaron 3 muestras de 0,05g de carbn activado y 3 muestras de 0,05g de turba. Se realiz el clculo necesario para determinar la cantidad de colorante que hubo que adicionar para realizar la dilucin de los 3 colorantes, todos con la misma concentracin.

4.2 A la cantidad de coagulante ya determinada, se le agrego la cantidad de agua necesaria para aforar a 250 ml.

4.3 Se agregaron las muestras de turba y carbn activado a 6 matraces Erlenmeyer de 100 ml

4.4 Luego se agreg 5 ml de coagulante diluido previamente a cada muestra.

4.5 Finalmente se agreg 20 ml de agua a cada muestra.

4.6 Se agitaron las 6 muestras constantemente por una hora.

4.7 Una vez finalizada la agitacin, se filtraron las 6 muestras con ayuda de un filtro conectado a una bomba de vaco.

4.8 Luego de la filtracin, se realiz la medicin de absorbancia de los colorantes diluidos y de las 6 muestras de turba y carbn activado.

4.9Una vez finalizado el procedimiento, se dej todos los materiales limpios y guardados.5. DATOSTabla 5.1 Concentracin, absorbancia y longitud de onda de los 3 colorantes utilizados.ColoranteConcentracin de colorante [g/L]Absorbancia Longitud de onda [nm]

Naranjo reactivo0,250,682486

Azul bsico0,251,364570

Negro acido0,250,844569

Tabla 5.2 Volumen colorante, volumen agua y masa de carbn activado agregadas a las 3 muestras.Muestravolumen de colorante [mL] volumen de agua[mL]Masa carbn activado [g]

Naranjo reactivo5200,0506

Azul bsico5200,0506

Negro acido5200,0501

Tabla 5.3 Volumen colorante, volumen agua y masa de turba vegetal agregadas a las3 muestras.Colorantevolumen de colorante[mL]volumen de agua[mL]masa de turba vegetal[g]

Naranjo reactivo5200,0506

Azul bsico5200,0503

Negro acido5200,0506

Tabla 5.4 Absorbancia de cada una de las muestras realizadas para los dos adsorbentes utilizados.ColoranteAbsorbancia carbn activado Absorbancia turba

Naranjo reactivo0,0260,123

Azul bsico0,0370,185

Negro cido 0,0010,092

6. RESULTADOSTabla 6.1 Concentracin inicial y final de ambos adsorbentesColoranteConcentracin inicial [mg/L]Concentracin final carbn [mg/L]Concentracin final turba [mg/L]

Naranjo reactivo101,788,42

Azul bsico101,567,80

Negro cido100,0565,14

Tabla 6.2 Porcentaje de remocin de colorante por carbn activado y turba vegetalColoranteRemocin carbn activadoRemocin turba

Naranjo reactivo82,2 %15,8 %

Azul bsico84,4 %22,0 %

Negro cido99,4 %48,6 %

Tabla 6.3 Masa de colorante removida por gramo ambos adsorbentes.ColoranteMasa removida por gramo de carbn [mg]Masa removida por gramo de turba [mg]Relacin carbn/turba

Naranjo reactivo4,0710,7911: 5,15

Azul bsico4,1701,0931: 3,82

Negro cido4,8902,1151: 2,31

Tabla 6.4Concentracin final de colorantes segn calibracin.ColoranteConcentracin colorante segn calibracin [mg/L]

Naranjo reactivo46,71

Azul bsico57,60

Negro cido47,14

Figura 6.5: Comparacin de porcentaje de remocin entre adsorbentes y colorantes utilizados.7. DISCUSIONES7.1. El Carbn activado tiene mayor poder de remocin que la Turba vegetal para los colorantes utilizados, como en la Tabla 6.2. Los factores que influyen en la mayor adsorcin del carbn activado son su baja selectividad de retencin, porosidad y distribucin del tamao de poros, naturaleza apolar, retencin fuerte frente a molculas grandes, elevada superficie interna, y las fuerzas de Van Der Waals principalmente con las que interacta. De lo anterior se justifica que el carbn posea una gran interaccin con los colorantes, en especial debido al tamao de las molculas de colorantes retenidas por los poros del carbn activado y a las fuerzas de enlace. La turba en cambio tiene la capacidad de retener grandes cantidades de agua lo puede haber afectado el proceso de adsorcin de los colorantes, ya que se trata de una disolucin y en las disoluciones el anlisis de adsorcin se complica desde que se establece una competencia entre soluto y disolvente por la superficie slida, en este caso de la turba. 7.2. A partir de la Tabla 6.2 se puede realizar una comparacin entre la adsorcin del carbn activado frente a los colorantes, estableciendo que la mayor adsorcin se da para el negro cido mientras que la menor para el azul bsico. A partir de esto podemos establecer que el colorante negro cumple con una menor polaridad que el colorante naranjo y el azul, por lo que la mayor interaccin del carbn activado corresponde a la establecida con el colorante negro.

Para realizar una determinacin ms profunda sobre el posible comportamiento de los colorantes ante el carbn activado, se debe realizar una cromatografa para desglosar los componentes de cada color segn su polaridad. As se podr predecir si tendr mayor o menor eficiencia segn el color7.3 El colorante Naranjo Reactivo presenta el menor porcentaje de remocin con ambos adsorbentes; 82,2% con carbn activado y 15,8% con turba. En el caso del carbn activado la afinidad con la superficie result ser relativamente alta, sin embargo, su menor remocin respecto a los otros colorantes se explicara debido a su inestabilidad en solucin tendiendo a hidrolizarse, esto lo lleva a formar enlaces covalentes con los grupos hidroxilos provenientes de la disociacin del agua. La fuerza del enlace covalente, al ser una interaccin entre electrones, es mayor con respecto a de las fuerzas de tipo Van der Waals con las que acta el carbn activado, por tanto, ser ms difcil la separacin ente el colorante y el agua. La razn por la que se tiene una alta retencin recae en la porosidad dada por su superficie interna, siendo lo suficientemente altos como para retener las molculas de colorante.

Se encuentra una explicacin similar a la anterior para la turba, obtenindose una dificultad de fuerzas moleculares para la separacin del colorante. Por otra parte, su bajo porcentaje se debe a que la baja rea superficial total de los poros impide una retencin mayor.7.4 En una primera mirada, se puede apreciar de la Tabla 6.3 que la remocin de colorante en todos los casos fue mayor para el carbn activado, lo cual dara una idea de que su uso en la industria es imprescindible al ser el mejor adsorbente con respecto a la turba. Sin embargo, los costos del carbn activado son muy elevados debido a la activacin que debe experimentar para transformarse en un buen adsorbente, por lo que la turba tiene una gran ventaja debido a su bajo costo. Por otra parte, la turba presenta microorganismos que pueden aprovecharse para tratamientos posteriores relacionados con la remocin biolgica, generando una ventaja al necesitar la implementacin de microorganismos de manera externa.

Dependiendo del caso, se podr discriminar el uso de carbn y turba para cada colorante; siendo en el caso del Negro cido una menor brecha entre la relacin Carbn/Turba (1:2,31) permitindose el uso de la turba al obtenerse una remocin similar con la adicin msica de algo ms que el doble por un precio menor. Por otra parte, siendo totalmente opuesto, la relacin Carbn/Turba (1:5,15) para el naranjo reactivo es estrecho, necesitndose ms de 5 veces de Turba para realizar la misma remocin que la del carbn activado. En este caso puede verse completamente excedido el precio de la turba en relacin al carbn, por lo que es preferible el uso del ltimo.8. CONCLUSIONESFrente a un contaminante como los colorantes, el carbn activado presenta una mayor remocin que la turba vegetal, por lo tanto, posee una mayor capacidad adsortiva.

La mayor adsorcin en ambos adsorbentes se da para el colorante negro y la menor para el colorante naranjo.

La relacin carbn/turba fue de 1:5,15 colorante naranjo, 1:3,82 colorante azul y 1:2,31 colorante negro.

Los porcentajes de remocin de carbn activado fueron de 82,2% colorante naranjo, 84,4% colorante azul y 99,4% colorante negro. Para la turba vegetal fueron de 15,8% colorante naranjo, 22,0% colorante azul y 48,6% colorante negro.

A partir del comportamiento de los adsorbentes se concluye que el colorante negro es menos polar que el colorante naranjo y azul, ya que es casi totalmente eliminado por el carbn activado, y como se mencion antes en el marco terico, una sustancia no polar puede ser totalmente eliminada por ste.

9. RECOMENDACIONES

9.1 Se recomienda la agitacin con lentitud y cuidado para no generar un vrtice al momento de agitar la turba, el carbn activado con los colorantes diluidos, debido a que estos pueden quedar adheridos en las paredes del vaso precipitado, perdiendo as masa por lo cual, se pierde rea de adsorcin, no permitiendo la eficiencia mxima, alterando los resultados del experimento.

9.2 Para evitar alteraciones en los resultados se recomienda el uso de pipetas designadas para cada colorante para impedir que se mezclen entre s.

9.3 Se recomienda al momento de usar los prismas del espectrofotmetro que deben ser lavados antes de ser usados para cada colorante, y deben ser manipulados por el lado velado y no tocar la superficie transparente, debido a que por ah atraviesa el haz de luz que ocupa el equipo para medir.

10. NOMENCLATURA

DefinicinSmboloUnidades

VolumenV[L]

MasaM[Kg]

AdsorbanciaA-

Longitud de Onda[nm]

ConcentracinC

11. BIBLIOGRAFA

11.1 Libros:Ramalho avibert Tratamiento de aguas, Editorial Revert11.2 Pginas webLenntech BV Adsorcin / carbn activo http://www.lenntech.es/adsorcion.htm Visitada el 19 de diciembre de 2015

Luisa A. Sepulveda-Cuevas, Elsa G. Contreras-Villacura and Carolyn L. Palma-Toloza Turba magallnica(Sphagnum magallanicum)como adsorbente natural de colorantes sintticos recalcitrantes Revista de la ciencia del suelo y nutricin vegetal. http://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-27912008000200005 Visitada el 19 de diciembre de 2015

Universidad Autnoma del Estado de Hidalgo. Contaminacin generada por colorantes de la industria textil http://www.uaeh.edu.mx/scige/boletin/prepa4/n3/e1.html Visitada el 19 de diciembre de 2015

12. APENDICESAPNDICE A: CURVAS DE CALIBRACIN.

Figura A1: Curva de Calibracin para el Negro cido.

Figura A2: Curva de Calibracin para el Naranjo Reactivo.

Figura B3: Curva de Calibracin para el Azul Bsico.

APNDICE B: CLCULOS INTERMEDIOSTabla B.1 Concentracin de colorante removida por ambos adsorbentes.ColoranteConcentracin removida carbn [mg/L]Concentracin removida turba [mg/L]

Naranjo reactivo8,221,58

Azul bsico8,442,20

Negro cido9,944,86

Tabla B.2 Masa de colorante removida por 0,05 g de carbn activado y 0,05 g de turba.ColoranteMasa removida por carbn [mg]Masa removida por turba [mg]

Naranjo reactivo0,2060,040

Azul bsico0,2110,055

Negro cido0,2450,107

APNDICE C: EJEMPLOS DE CLCULO

C.1 Concentracin de colorante inicial.

De acuerdo con los datos de volumen de colorante y agua de Tabla 5.2 y 5.3 y la concentracin de los colorantes de Tabla 5.1, se determin mediante la ecuacin C.1 la concentracin inicial de los colorantes:

(C.1)

Donde y son la concentracin inicial y final del colorante en [mg/L], es el volumen de colorante aadido en [L] y es el volumen de la disolucin total en [L].

C.2 Concentracin final luego de la adsorcin con carbn activado y turba vegetal.

Para determinar la concentracin final de los colorantes se utilizaron las curvas de calibracin ubicadas en el Apndice A y la absorbancia final de los colorantes encontrados Tabla 5.4. Ejemplo de concentracin final de colorante Naranjo reactivo en carbn activado:

Donde A= absorbancia de colorante, C= concentracin de colorante [mg/L]

C.3 Concentracin removida luego de la adsorcin con carbn activado y turba vegetal.

Con los datos de concentracin inicial y final de los colorantes luego de la adsorcin con carbn activado y turba vegetal ubicados en Tabla 6.1 se determin la concentracin removida por adsorcin mediante la diferencia de concentracin inicial y final.

Ejemplo de concentracin removida de Naranjo reactivo con carbn activado:

C.4 Porcentaje de remocin de carbn activado y turba vegetal.

El porcentaje de remocin se determin mediante la concentracin removida ubicada en Tabla B.1 y concentracin inicial ubicada en Tabla 6.1 de acuerdo a la ecuacin C.2:

(C.2)

Ejemplo de remocin para Naranjo reactivo con carbn activado:

C.5 Masa de colorante removida utilizando 0,05 g de carbn activado y 0,05 g de turba.

La masa de colorante removida se determin a partir de la concentracin removida de cada colorante ubicada en Tabla B.1 por el volumen total de la muestra V= 0,025 [L].

Ejemplo de masa removida de Naranjo reactivo por 0,05 g de carbn activado:

C.6 Masa removida por gramo de adsorbente

Para determinar la masa removida por gramo de adsorbente se utilizaron los datos de Tabla B.2 y datos de masa de adsorbentes de Tabla 5.2 y Tabla 5.3, segn ecuacin C.3

(C.3)

Ejemplo de masa removida de Naranjo reactivo por gramo de Carbn activado:

Relacin Carbn activado y Turba para cada colorante

Ejemplo de Naranjo reactivo: C.7 Concentracin de colorantes segn curvas de calibracin

Los colorantes fueron preparados para tener una concentracin de 50 mg/L, pero mediante las curvas de calibracin del Apndice A y absorbancia de los colorantes de Tabla 5.1 se determin la concentracin que estos tenan.

Ejemplo de concentracin de Naranjo reactivo: