Adsorción de metales pesados y colorantes en columnas empacadas con adsorbentes basados en polisacáridos

Abstract

La presencia de metales pesados y colorantes en efluentes acuosos es un asunto de preocupación ambiental, ya que provocan daños no solamente al medio ambiente sino también a la salud humana. En contraste con otros métodos de tratamiento de aguas, la adsorción ha demostrado ser un método costo-efectivo para el tratamiento de efluentes con presencia de metales pesados y colorantes debido a su fácil operación y capacidad de remoción de este tipo de contaminantes dentro de un rango de bajas concentraciones. Diversos materiales como quitosana, lignina y celulosa han sido utilizados para la remoción de estos contaminantes. Sin embargo, muchas desventajas de estos adsorbentes, como baja área superficial, poca resistencia química o escasa reusabilidad, pueden resolverse preparando composites basados en dichos polisacáridos. Por esta razón, en el presente trabajo se prepararon adsorbentes siguiendo distintas estrategias para proveer soporte para los polisacáridos, permitiendo su uso en sistemas de flujo como columnas empacadas. De forma general, se llevó a cabo el estudio de su capacidad y cinética de adsorción mediante experimentos por lotes, así como la caracterización del proceso de adsorción bajo esquemas de operación en sistemas continuos. En primera instancia, se preparó un soporte con mayor porosidad para depositar quitosana sobre el mismo, permitiendo utilizar este polisacárido en una columna de lecho empacado. La mayor porosidad fue lograda utilizando poliestireno para facilitar el proceso de espumado durante la extrusión del composite. La porosidad incrementada facilitó no solo la difusión de quitosana durante la preparación del adsorbente, incrementando el área súperficial cubierta con quitosana, sino también la difusión de los iones de cromo al interior del adsorbente, aumentando significativamente la velocidad de adsorción y permitiendo obtener una capacidad máxima de adsorción de 125.9 mg Cr(VI)/g de quitosana. Una vez determinadas las mejores condiciones de operación de la columna empacada, se obtuvo una remoción de hasta 82.6 mg Cr(VI)/g de quitosana mediante un esquema de operación fácilmente escalable. Además, se realizó un análisis detallado sobre la regeneración del lecho empacado, proponiendo un nuevo parámetro para determinar la factibilidad de llevar a cabo la desorción. Por otra parte, la lignina presentó una buena capacidad de remoción del colorante azul de metileno de hasta 8.1 mg/g, con eficiencias de remoción por encima del 80% al utilizarse directamente en sistemas por lotes. Sin embargo, dada la falta de estabilidad dimensional para operar en sistemas de flujo, se preparó un adsorbente polimérico para brindar soporte a este biopolímero, utilizando distintas concentraciones de lignina y replicando el efecto positivo de la adición de poliestireno para favorecer el espumado del material. De esta forma, fue posible preparar un adsorbente con mayor porosidad de hasta 61%. A pesar de que la lignina resulta impedida dentro del composite, este efecto es menos crítico en altos contenidos de lignina, mejorando la cinética de adsorción del material, mostrando buenos resultados con el adsorbente con 40% de lignina. La curva de ruptura de la columna empacada con este material mostró un desempeño efectivo al tratar un efluente con una concentración de azul de metileno de 40 mg/L, con una remoción de 0.55 mg/g de lignina. Por último, la celulosa es un material altamente selectivo hacia contaminantes catiónicos, particularmente afín a los colorantes como el rojo Congo. Dada la necesidad de proveer estructura a la celulosa para la operación en sistemas de flujo, se preparó un adsorbente basado en hidrogeles esféricos de celulosa, preparados por un sencillo método de gelación por cambio de pH asistida con un surfactante. Es importante señalar que esta estructura puede aprovecharse para introducir otros materiales que aporten mayor número de sitios activos, incrementando su capacidad de adsorción y mejorando la cinética del adsorbente. Por tanto, se prepararon perlas de celulosa y nano-plaquetas de grafeno, las cuales presentaron diámetros entre 3.4 y 3.9 mm. Se observaron altas eficiencias de remoción, así como una capacidad máxima de adsorción de colorante rojo Congo de hasta 139.6 mg/g. En este caso, se demostró que utilizar un esquema de adsorción con altos flujos favorece la transferencia de masa, mejorando la cinética de forma importante y demostrando una capacidad de remoción de 16.1 mg/g en una columna empacada con un efluente de 40 mg/L de rojo Congo. Por lo tanto, se confirmó que la tendencia en el uso de polisacáridos como materiales adsorbentes gira en torno al uso de residuos lignocelulósicos, así como en torno al desarrollo de adsorbentes costo-efectivos con capacidad incrementada mediante métodos físicos y químicos sin incrementar significativamente el costo de los materiales.