Diseño de un sistema de adsorción
en carbón activado para la
eliminación de cromo hexavalente
en disolución acuosa.
MEMORIA PRESENTADA POR:
Héctor Bañón Juares
GRADO DE INGENIERIA QUIMICA
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diseño de un sistema de adsorcion, Guías, Proyectos, Investigaciones de Química Aplicada
es para el carbón activado para la eliminación del cromo hexavalente
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
2019/2020
1 / 67
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Diseño de un sistema de adsorción
en carbón activado para la
eliminación de cromo hexavalente
en disolución acuosa.
MEMORIA PRESENTADA POR:
Héctor Bañón Juares
GRADO DE INGENIERIA QUIMICA
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Agradecimientos.
Me gustaría agradecer brevemente en este espacio a todas las personas que hoy me han ayudado a llegar hasta aquí.
A mis profesores, que han dedicado su tiempo y sus mejores esfuerzos para brindarnos las herramientas necesarias para aprender y ampliar nuestro conocimiento. A mis familiares que me han respaldado anímica y por supuesto económicamente en este camino que para mí no ha sido para nada fácil, especialmente a mis padres. A mis amigos y compañeros de clase, con los cuales hemos formado un grupo que casi podría definirse como familia, y con los cuales he compartido y disfrutado sin lugar a dudas algunos de los momentos más buenos de esta etapa de mi vida, y también otros no tan buenos en los cuales nos hemos apoyado casi sin condicionantes.
Resumen.
En este trabajo se va a hablar de la adsorción del carbón activo para la eliminación de metales pesados y en concreto de cromo hexavalente, que está presente en aguas re siduales, tenemos que tener en cuenta de que los procesos de adsorción suelen ser muy comunes en la depuración de aguas, sobre todo como parte del tratamiento global.
Se ha trabajado con carbón activo siendo uno de los mejores adsorbentes con los que se trabaja para este tipo de operación unitaria, por la alta superficie específica y el volumen de poros específico. Para ello en este trabajo se propone caracterizar experimentalmente y modelar una columna empacada de carbón activo granular, para la eliminación del contaminante comentado.
Para ello se va a obtener un equilibrio y una cinética ya que sin estos dos nos sería imposible poder realizar el proyecto. Emplearemos los modelos matemáticos para el equilibrio (Freundlich y Langmuir) y los modelados cinéticos diferentes con el fin de hallar el óptimo (teniendo en cuenta la transferencia de materia interna, y teniendo en cuenta ambas, tanto interna como externa). Una vez se obtengan los parámetros necesarios se procederá al modelado, simulación y diseño de la columna, el objetivo principal, de este trabajo ingenieril.
1.Introducción.^4
En el siguiente trabajo se va a tratar de diseñar, dimensionar y modelar un equipo que lleve a cabo un proceso complejo como es la eliminación de Cr (VI) de aguas residuales industriales, y que a la vez que puede resultar muy importante y de mucha utilidad, por varios motivos que se irán desgranando y viendo a la vez que se va introduciendo la materia y se va contextualizando el proceso y el objetivo en cuestión.
En primer lugar, es importante conocer la materia en cuestión que vamos a tratar, particularmente el Cromo, como un metal pesado, con sus características, como se origina este residuo, y cuáles pueden ser sus efectos en la salud de diversos organismos , que como podremos ver pueden llegar a ser muy perjudiciales según diversos artículos, de ahí que en la legislación se establezca un valor de concentración límite muy bajo de este compuesto para que las aguas que lo contengan puedan ser vertidas.
Es muy importante hablar del proceso físico de la adsorción, pues es el fenómeno que queremos utilizar para conseguir dicha eliminación del Cromo, que sería nuestro adsorbat o, del agua residual. Y para ello también es clave elegir un adsorbente adecuado que será el carbono activo, del cual también hablaré.
Una parte crucial también es el equipo, pues al final es aquello que queremos diseñar y que llevará a cabo el objetivo de la eliminación del Cromo (VI), y el diseño de este será determinante en la consecución del objetivo. Por tanto hablaremos del equipo en cuestión, que será una torre de adsorción, y de cómo se lleva a cabo el diseño y parametrización de esta.
1.1-Acerca de la especiación y toxicidad de los metales pesados.[ 1]
Los metales pesados, en concreto Hg, Pb, Cd, Cr y As no son particularmente tóxicos como elementos libres condensados, salvo el vapor de mercurio que sí resulta altamente tóxico. Sin embargo, todos ellos son peligrosos cuando se encuentran en forma de cationes, y la mayoría son muy tóxicos cuando están enlazados a cadenas cortas de átomos de carbono. El mecanismo bioquímico de la acción tóxica suele surgir de la fuerte afinidad de los cationes hacia los iones de las cadenas de carbono. En consecuencia, los grupos sulfhídricos, -SH, que se encuentran habitualmente en las enzimas que controlan la velocidad de las reacciones metabólicas críticas en el cuerpo humano, se unen con facilidad a los cationes de los metales pesados ingeridos, o a las moléculas que contienen dichos metales.
Debido a que el enlace metal-azufre resultante afecta a toda la enzima, esta no puede actuar con normalidad; como consecuencia de ello, la salud humana se ve perjudicada, a veces incluso de manera fatal.
1.1.1-El cromo.[1]
Al centrarnos más en el elemento entorno al cual girará este trabajo, vemos que el cromo normalmente se encuentra en forma de iones inorgánicos. Sus estados de oxidación más comunes son +3 y +6, es decir, Cr(III) y Cr(VI), conocidos como trivalente y hexavalente, respectivamente.
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En condiciones oxidantes, es decir, aeróbicas, el cromo se encuentra en el estado VI, habitualmente como ion cromato, CrO 4 2-, aunque en condiciones incluso ligeramente ácidas este oxianión se protona para dar HCrO 4 -.
𝐻+^ + 𝐶𝑟𝑂 4 2−^ ↔ 𝐻𝐶𝑟𝑂 4 −
Los oxianiones de cromo(VI) son altamente solubles en agua. Los dos iones de Cr(VI) mencionados anteriormente son amarillos y le dan un matiz amarillento al agua incluso a niveles de cromo tan bajos como 1 ppm.
En condiciones reductoras, es decir, anaeróbicas, el cromo se encuentra en el estado III. En disoluciones acuosas, en este estado está en forma de ion +3, es decir, Cr3+. Sin embargo, la solubilidad acuosa de este ion no es alta y el Cr(III) a menudo preci pita como hidróxido, Cr(OH) 3 , en condiciones alcalinas y neutras, o incluso un poco ácidas:
𝐶𝑟3+^ + 3 𝑂𝐻−^ ↔ 𝐶𝑟(𝑂𝐻) 3 (𝑠)
En consecuencia, que el cromo se encuentre como ion disuelto en agua o como precipitado depende de si el ambiente acuoso es oxidante o reductor. La diferencia es importante, puesto que el Cr(VI) hexavalente es tóxico y un presunto carcinógeno, mientras que el Cr(III) trivalente es mucho menos tóxico e incluso actúa como un micronutriente. El ion cromato penetra fácilmente en las células, supuestamente debido a su similitud estructural con el ion sulfato, SO 4 2-. Dentro de la célula, el cromo puede oxidar las bases del ADN y el ARN. Debido a que el cromo hexavalente es más tóxico, más soluble y más móvil que el cromo trivalente, se considera que supone un mayor riesgo para la salud.
1.1.2- Usos del Cromo en la industria[1]
El cromo se utiliza ampliamente para el galvanizado, la protección contra la corrosión y el curtido del cuero. En el curtido, el Cr(III) se enlaza a las proteínas de la piel de los animales para formar cuero resistente al agua, al calor y a las bacterias.
Los baños ácidos agotados del decapado de acero inoxidable son disoluciones muy complejas debido al alto contenido de metales y ácidos (HNO3 y HF), por lo que constituyen un grave problema medioambiental. Existen tratamientos comerciales para la recuperación del ácido (libre o complejado) que se basan en técnicas de retardo ácido, extracción con disolventes, evaporación o membranas. En estos procesos el contenido metálico es precipitado y tratado como un residuo.
En el proceso de decapado de acero inoxidable, el baño ácido debe ser retirado cuando se alcanzan concentraciones metálicas de, aproximadamente, un 5 %. Este baño debe ser reemplazado por ácido fresco, dando lugar a un residuo de composición muy compleja. Que podríamos resumir en la siguiente tabla.
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La mayor parte de los metales pesados disueltos se puede eliminar del agua residual simplemente incrementando el pH, puesto que los hidróxidos son insolubles. Sin embargo, el Cr(VI) no precipita a ningún pH, puesto que no se encuentra como catión sino como oxianión en el agua. Sin embargo, debido a su baja solubilidad y, en consecuencia, a la poca movilidad del Cr(III), la manera habitual o más tradicional de extraer el cromo(VI) del agua es utilizar primero un agente reductor para convertir el Cr(VI) en Cr(III):
𝐶𝑟𝑂 4 2−^ + 3 𝑒−^ + 8𝐻+^ ↔ 𝐶𝑟3+^ + 4 𝐻 2 𝑂
Los agentes reductores comúnmente empleados para esta conversión son el SO 2 gaseoso o una disolución de sulfito sódico, Na 2 SO 3.
Además, una práctica común en la purificación de agua residual contaminada con Cr es la reducción del Cr(VI) a Cr(III) mediante la adición de hierro en forma de Fe(II), y añadiendo a continuación una base para precipitar el Cr(III). Otra aplicación de esta técnica es la colocación de hierro elemental en finos granos dentro de pozos permeables subterráneos situados en medio del flujo de las aguas subterráneas contaminadas. El hierro reduce el cromo, y entonces, ya como Fe3+, forma un compuesto insoluble de Fe(III)-Cr(III). Este proceso de reducción puede suceder de manera espontánea en suelos con, por ejemplo, Fe 2+^ o carbono orgánico como agente reductor.
El cromo hexavalente es bastante móvil, puesto que no queda fuertemente absorbido por muchos tipos de suelo. Sin embargo, se puede reducir a la forma trivalente, menos móvil, por medio de las sustancias húmicas en suelos ricos en materia orgánica.
Otra fuente potencial y significativa de cromo en el medio ambiente deriva de su presencia en el arseniato de cobre cromado (ACC), el conservante de madera ampliamente utilizado. El ACC es una mezcla acuosa de óxidos metálicos con el que se trata la madera mediante un proceso de impregnación al vacío. La cantidad de ACC que se inyecta dentro de la madera es de casi el 10% de la masa de esta. El cromo utilizado en dicha aplicación es originalmente hexavalente. Sin embargo, durante el período de fijación, que dura varias semanas después del tratamiento., casi todo el Cr(VI) se reduce a Cr(III) por reacción con el carbono de la madera. Este proceso genera complejos insolubles que se lixivian lentamente de la madera tratada durante su vida útil, puesto que como mínimo el cobre y el cromo están enlazados a la madera. El lixiviado de metales pesados en la madera se hace muy lentamente unos meses después del tratamiento, con una mayor pérdida de cobre y arsénico que se cromo.
Uno de los usos del ACC es el de proteger las estructuras de madera que están destinadas a la utilización en ambientes acuáticos, como los muelles residenciales. Por motivos ambientales y de salud, el ACC ha sustituido ampliamente a los componentes orgánicos como la creosota y el pentaclorofenol en este tipo de aplicaciones. No obstante, con el tiempo no solo se lixivia el cromo de las estructuras hacia el agua, sino que también lo hacen el arsénico y el cobre.
Algunas cifras de producciones globales de metales pesados (entre ellos el Cr), así como sus emisiones al medio ambiente (aguas) a nivel mundial, derivadas por las actividades industriales que hemos comentado serían las siguientes;
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Figura 3. Emisiones al medio de metales pesados.
1.2.-Exposicion y efectos de la acumulación de Cromo en diferentes organismos.
Humanos.[3] Aunque los niveles de cromo en agua y en aire son bajos, las personas pueden respirar aire, tomar agua o comer alimentos que contienen cromo o absorberlo a través del contacto de la piel con este elemento o sus compuestos. Para la población general, la ruta más probable de exposición al cromo III es el consumo de alimentos contaminados, pues los alimentos acídicos en contacto con latas o utensilios de cocina de acero inoxidable pueden contener niveles de cromo más altos, debido al escape de este material desde el acero inoxidable. Por otra parte, la exposición al cromo VI es frecuente en los ambientes de trabajo en los que se usa este compuesto: industria de cuero, industria textil, industria petrolera e industria de platinado entre otras.
Metabolismo del cromo en el cuerpo. [3]
La absorción de cromo se hace fundamentalmente por tres vías: oral, respiratoria y dérmica. Al entrar en el organismo es distribuido a la médula ósea, pulmones, ganglios linfáticos, bazo, riñón e hígado. El compuesto que más fácilmente se absorbe es el
cromo VI, ya que es tomado por los eritrocitos e integrado a otras células por el sistema transportador de sulfatos. Como ya se dijo, el cromo VI se reduce en cromo III intracelularmente en las mitocondrias y el núcleo, reductores intracelulares lo degradan
en el citoplasma. La reducción intracelular genera intermediarios reactivos como cromo V, cromo IV y cromo III, así como radicales libres hidroxilo y oxígeno; estas formas reactivas del cromo son susceptibles de alterar el ADN. Se elimina por vía renal el
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1998; Sorahan & Harrington, 2000).
Los compuestos de cromo y níquel están clasificados en el grupo 1 de elementos carcinógenos, de acuerdo con la Agencia Internacional para la Investigación sobre
el Cáncer (IARC). Los compuestos de cromo VI, compuestos de níquel y vapores de soldadura, se deben considerar carcinógenos potenciales según lo establecido en la Norma 29 CFR 1910.1200 de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA). Asimismo, OSHA ha determinado, basada en la mejor evidencia posible, el nivel permisible de exposición al cromo VI en 5 microgramos de Cr VI por metro cúbico de aire en un promedio de 8 hormas de trabajo (Occupational Safety and Health Administration) (OSHA, 2006).
Evaluación de la exposición[3]
Sangre y orina son usados comúnmente para el monitoreo biológico de los trabajadores expuestos al cromo (Franchini & Mutti, 1988; Mutti, Lucertini, Valcavi,
Neri, Fornari & Alinovi, 1985) y son, por tanto, las pruebas gold standard para la evaluación de la exposición. Otras técnicas para el monitoreo son la evaluación de la concentración de cromo en el aliento condensado y la evaluación de cromo en los eritrocitos, que permite evaluar los biomarcadores inflamatorios y se puede utilizar para investigar el tejido de algunos órganos como los pulmones en trabajadores expuestosal cromo (Cagli eri, Goldoni, Acampa, Andreoli, Vettori, Corradi, Apostoli & Mutti, 2006).
El cromo en orina y cromo en plasma son los biomarcadores ideales de una exposición reciente, mientras el cromo en eritrocitos puede representar una fracción del cromo VI, el cual alcanza el flujo sanguíneo en una forma no reducida y por esto depende de la
dosis inhalada en el aire representada por el cromo condensado en aliento exhalado. El cromo medido en eritrocitos puede contribuir significativamente al biomonitoreo tradicional dando información específica en el órgano objetivo e integrando el conocimiento con la toxicokinética del cromo (Goldoni, Caglieri, De Palma, Acampa, Gergelova, Corradi & Apostoli, 2010).
Medidas de seguridad[3]
-Para la piel se recomienda el uso de guantes protectores y si hay contacto, lavar la piel con agua.
-Se recomienda utilizar gafas de seguridad, en caso de contacto, enjuagar con agua durante varios minutos. Si la persona es usuaria de lentes de contacto, se deben retirar los lentes y recurrir a control ocular.
-Se recomienda protección respiratoria y en caso de inhalación respirar aire limpio y reposo.
Plantas (Trigo).[4]
Existen artículos de investigación extensos y completos, como al que hago referencia en este apartado en el que se estudian los efectos de la acumulación de cromo en la concentración
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graduada de ciertas actividades metabólicas de vegetales. Cosa relevante, ya que si bien el Cromo afecta a los humanos como hemos visto anteriormente, cabe pensar que puede también afectar a las cosechas que pueden captar el cromo del agua que toman del suelo.
En este artículo en concreto se habla del trigo (Triticum aestivum L. cv. HD 2204), el cual se analiza bajo condiciones de invernadero controladas, y se obtuvieron datos reveladores.
Las bajas concentraciones de suministro de Cr (VI) indujeron clorosis interven al en las hojas jóvenes que se convirtió en necrosis en etapas posteriores de crecimiento. El suministro de cromo afectó severamente la clorofila y la actividad de Hill del organismo. La actividad de la catalasa en hojas jóvenes se vio afectada por un aumento en el suministro de Cr (VI) de 0,05 a 1,0 mM. La concentración de nitrógeno proteico disminuyó y la de los azúcares reductores aumentó. La acumulación de cromo fue mayor en tallos seguido de hojas en niveles más altos pero a niveles bajos de suministro de Cr (VI), la acumulación fue mayor en la raqueta en comparación con el tallo. En respuesta al suministro de cromo, el rendimiento de grano se vio gravemente afectado e incluso no se observó formación de semilla a 1,0 mM Cr (VI). En vista de las conclusiones anteriores, se concluyó que el cromo Cr (VI) es inhibidor del metabolismo y un factor contribuyente en la fitotoxicidad del trigo.
Otros animales (Peces).[5]
De manera análoga al estudio de los efectos en otros organismos que ya hemos comentado, existen multitud de estudios interesantes también sobre el efecto que la contaminación del agua por Cr (VI) puede tener sobre otros animales, si se vierte a aguas naturales que son el habitad de estos animales. En concreto encontramos uno con estudios sobre mortalidad en peces ‘’carpines dorados’’ que estudia variables interesantes como la temperatura y la concentración de metal.
En cuanto a la toxicidad, se ven evidencias en los resultados. La toxicidad del dicromato potásico (forma en la que utilizan el Cr(VI) aumenta con la dosis, tal y como muestran sus datos obtenidos, donde se refleja mortalidad de los ejemplares frente al tiempo, para diferentes concentraciones
(ppm).
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Todos los grupos tratados acumularon significativamente cromo en sus branquias en relación a los animales control.
Por tanto se cómo conclusión se puede ver que no existen diferencias notables de acumulación en las branquias de los grupos tratados con distintas dosis a una misma temperatura, en los que en cambio la mortalidad difiere considerablemente; por tanto, no puede afirmarse que a las dosis estudiadas exista una relación entre niveles de cromo en branquias y grado de toxicidad.
1.3.- La adsorción (definición y conceptos básicos)[6]
La adsorción es un proceso de transferencia de fase ampliamente utilizado en la práctica para eliminar las sustancias de las fases fluidas (gases o líquidos). También se puede observar como proceso natural en diferentes compartimentos ambientales. La definición más general describe la adsorción como un enriquecimiento de especies químicas de una fase fluida sobre la superficie de un líquido o un sólido. En el tratamiento del agua, se ha demostrado que la adsorción es un proceso de eliminación eficaz para una multiplicidad de solutos. En este caso, las moléculas o iones se extraen de la solución acuosa por adsorción sobre superficies sólidas. Las superficies sólidas se caracterizan por sitios activos ricos en energía que son capaces de interactuar con solutos en la fase acuosa adyacente debido a sus propiedades electrónicas y espaciales específicas. Típicamente, los sitios activos tienen energías diferentes, o en otras palabras la superficie es energéticamente heterogénea.. El material sólido que proporciona la superficie para la adsorción se denomina adsorbente; Las especies que serán adsorbidas se denominan adsorbato. Al cambiar las propiedades de la fase líquida (por ejemplo concentración, temperatura, pH), las especies adsorbidas pueden liberarse de la superficie y transferirse de nuevo a la fase líquida. Este proceso inverso se conoce como desorción. Puesto que la adsorción es un proceso superficial, el área superficial es un parámetro clave de adsorbentes. Los adsorbentes de ingeniería son típicamente materiales altamente porosos con áreas superficiales en el intervalo entre 102 y 103 m2 / g. Su porosidad permite la realización de tales superficies grandes como superficies internas constituidas por las paredes de los poros. Por el contrario, la superficie externa es típicamente inferior a 1 m2 / g y, por tanto, de menor importancia. Como ejemplo, la superficie externa de carbón activado en polvo con una partícula de 0,6 g / cm3 y un radio de partícula de 0,02 mm es sólo 0,25 m2 / g
Parametrización y cuantificación del proceso. [6]
De acuerdo con el carácter del proceso de adsorción como un proceso de superficie, sería razonable expresar la absorción de adsorbato por la concentración de superficie de adsorción superficial, Γ (en mol / m2), que es el cociente de la cantidad adsorbida, na y la superficie adsorbente (Área).
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Sin embargo, dado que el área superficial, A, no puede determinarse tan exactamente como la masa adsorbida, en la práctica la cantidad adsorbida se relaciona con la masa, q , se usa típicamente en lugar de la concentración superficial.
Donde mA es la masa adsorbente. La cantidad adsorbida por adsorbente en masa se refiere también a carga de adsorbente o simplemente carga.
En vista de la aplicación práctica de la adsorción, es importante estudiar las dependencias de la cantidad adsorbida sobre los parámetros característicos del proceso y describir estas dependencias sobre una base teórica. La teoría de adsorción orientada a la práctica consta de tres elementos principales: el equilibrio de adsorción, la cinética de adsorción y la dinámica de adsorción. El equilibrio de adsorción describe la dependencia de la cantidad adsorbida sobre la concentración de adsorbato y la temperatura.
Por razones de simplicidad, la relación de equilibrio se considera típicamente a temperatura constante y se expresa en forma de la isoterma de adsorción
La cinética de adsorción describe la dependencia temporal del proceso de adsorción, lo que significa el aumento de la carga con el tiempo o, alternativamente, la disminución de la concentración de la fase líquida con el tiempo
La velocidad de adsorción se determina típicamente mediante procesos de transferencia de masa lenta desde el líquido a la fase sólida. La adsorción dentro de los adsorbentes de lecho fijo de uso frecuente no es sólo un proceso dependiente del tiempo, sino también un proceso dependiente del espacio. La dependencia del tiempo (t) y del espacio (z) se den omina dinámica de adsorción o dinámica de columnas.
El equilibrio de adsorción es la base de todos los modelos de adsorción. El conocimiento sobre el equilibrio de adsorción es una condición previa para la aplicación de modelos de adsorción tanto cinéticos como dinámicos. Para predecir la dinámica de la adsorción es necesaria la información sobre el equilibrio de la adsorción así como sobre la adsorción cinética. Estos principios generales de la teoría de la adsorción no sólo son válidos para la adsorción de un solo soluto sino también para la adsorción multisoluta que se caracteriza por la competencia de los adsorbatos para los sitios de adsorción disponibles y, en particular en los adsorbentes de lecho fijo, mediante procesos de desplazamiento. La predicción del comportamiento de adsorción multisoluta a partir de datos de un solo soluto es un reto adicional en el modelado de adsorción orientado a la práctica.
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Los productos de activación de gas se producen principalmente en forma granulada. Se pueden obtener diferentes tamaños de partículas por pulido y tamizado. Los carbones activados se aplican en dos formas diferentes, como carbón activado granular (GAC) con tamaños de partícula en el intervalo de 0,5 a 4 mm y carbón activado en polvo (PAC, por sus siglas en inglés) Con tamaños de partícula <40μm. Los diferentes tamaños de partícula están relacionan con las diferentes técnicas de aplicación: reactores de suspe nsión para la aplicación de PAC y fijado de adsorbedores de lecho fijo para GAC. Los carbones activados muestran una amplia variedad de superficies internas que varían de unos cientos m2 / g a más de mil m2 / g, dependiendo de la materia prima y del proceso de activación utilizados. El carbón activado para el tratamiento del agua no debe tener poros que sean demasiado finos de modo que las moléculas más grandes también se les permita entrar en el sistema de poros y adsorberse sobre la superficie interna. Las áreas de superficie interna de carbones activados aplicadas para el tratamiento de agua están típicamente en el intervalo de 800-1.000 m2 / g. La estructura de carbono activado consiste en cristalitos con una estructura de grafito fuertemente perturbada.
En grafito, los átomos de carbono se encuentran en capas y están conectados por enlaces covalentes (hibridación sp2). El grafito posee un sistema de electrones de - localizados que es capaz de interactuar con estructuras aromáticas en las moléculas de adsorbato. Los cristalitos de grafito en carbón activado están aleatoriamente situados e interconectados por enlaces cruzados de carbono. Los microporos están formados por los huecos entre las cristalitas y por lo tanto son típicamente de forma irregular. Con frecuencia, se encuentran poros con forma de hendidura.
Los carbones activados son capaces de adsorber una multiplicidad de sustancias orgánicas principalmente por interacciones intermoleculares débiles (fuerzas de van der Waals), en particular fuerzas de dispersión, así como iones inorgánicos como es el caso de este trabajo. Estas fuerzas de atracción se pueden superponer mediante interacciones π-π en el caso de adsorbatos aromáticos o por interacciones electrostáticas entre grupos de óxidos superficiales y adsorbidos iónicos. Su alta capacidad de adsorción hace que los carbones activados se adsorben preferentemente en todos los procesos de tratamiento de agua donde deben eliminarse las impurezas orgánicas o inorgánicos. Además de los contaminantes traza (micropollutants), la materia orgánica natural (NOM) también puede ser eliminado eficientemente por el carbono activado.
En lo que sigue, se enumeran algunas tendencias generales en la adsorción de carbón activado.
- La adsorción aumenta con el aumento de la superficie interna (volumen de poros) del 17 adsorbente.
- La adsorción aumenta conforme aumenta el tamaño de la molécula de los adsorbatos, siempre y cuando la exclusión de tamaño no impida que las moléculas de adsorbato entren en el sistema de poros.
- La adsorbilidad de las sustancias orgánicas sobre el carbón activado aumenta con la polaridad de descolado (solubilidad, hidrofilicidad) del adsorbato.
- Los compuestos aromáticos están mejor adsorbidos que los compuestos alifáticos de tamaño comparable.
- Los iones orgánicos (por ejemplo, fenolatos o aminas protonadas) no se adsorben asintomáticamente como los compuestos neutrales correspondientes (dependencia del pH de la adsorción de ácidos débiles y bases).
- En sistemas multicomponentes, se produce una adsorción competitiva, lo que resulta en una adsorción disminuida de un compuesto considerado en comparación con su adsorción de un solo soluto.
- Los iones inorgánicos (por ejemplo, iones metálicos) pueden ser adsorbidos por interacciones con los grupos funcionales de la superficie adsorbente pero en un grado mucho menor que las sustancias orgánicas, que son adsorbidas por fuerzas de dispersión e interacciones hidrofóbicas.
El carbón activado cargado normalmente se regenera mediante procesos térmicos. En la mayoría de los casos, el carbón activado se reactiva análogamente al proceso de activación de gas. La reactivación provoca una pérdida de masa debido a la combustión. El PAC no puede ser reaccionado y por lo tanto se utiliza como un adsorbente unidireccional y tiene que ser quemado o depositado después de la aplicación.
Por concretar más nuestro carbón activo con el que sacaremos nuestros datos de equilibrio y cinéticos para nuestro modelo matemático, a partir del artículo de investigación[8] del cual hablaremos más en detalle a continuación del que sacaré los datos cinéticos es el FNAC- 700 - 1.5, un carbón con unas características interesantes, como por ejemplo un área superficial de 2636 m2/g y un volumen de poros de 1.53 cm3/g .Este carbón según especifican los investigadores, se obtiene a partir de la cáscara de nuez, con una activación química a base de H 3 PO4.
En un artículo previo al que utilizaremos para nuestro trabajo, los investigadores d etallan mucho más exhaustivamente como se ha fabricado el carbón, y sus características en detalle como el tamaño de partícula, la materia prima, el tamaño de poros, su distribución, etc.[7]
19
Concentración máxima de salida [19]
0.1 mg/L
4. Interacción adsorbente-adsorbato [6]
Antes de modelar matemáticamente el proceso de adsorción que se llevará a cabo, con el objetivo final que ya hemos explicado de modelar y validar una columna de adsorción que solucione el problema planteado. Es primordial conocer las características de la interacción que existe entre el Cr6+^ ,que queremos eliminar del medio, y el carbón activo que cumplirá dicha función, el FNAC-700-1.5, características que estudiamos en el equilibrio y en la cinética de adsorción.
4.1 Equilibrio de adsorción.[6]
Si tomamos un determinado volumen de líquido muestra, a una concentración determinada, con una cantidad de adsorbente significativa, a una temperatura determinada e invariable y dejáramos el sistema un tiempo indefinido, tendríamos que la concentración de la muestra habría bajado, lógicamente, porque el adsorbente habría tomado adsorbato y habría adquirido una determinada q, que se denomina qeq, carga en equilibrio, con una determinada Ce , concentración de equilibrio que quedaría en el líquido. Y se denominan de equilibrio porque el sistema llega a tal punto que el adsorbente no es capaz de retener más adsorbato en las condiciones en las que se encuentra el sistema, y por tanto, por mucho tiempo que dejemos evolucionar el sistema, la carga q no aumentará del valor de qeq.
Dicho valor será necesario para poder caracterizar la capacidad de adsorción del Cr6+^ que tendrá nuestro carbón activo.
Cada estado de equilibrio de adsorción se define de forma única por las variables de concentración de adsorbato en la fase líquida(C), la carga del adsorbente en la fase sólida(q) y la temperatura (T). Siendo;
qeq= f (Ceq,T).
Para calcular el equilibrio, trabajaremos con isotermas con lo que implica que la temperatura va a ser constante. Es por ello que ahora dejará de ser una variable, T.
qeq= f (Ceq).
Esto se debe a que la dependencia de la cantidad absorbida en la concentración de eq uilibrio se determina experimentalmente a temperatura constante, y los datos medidos se describen posteriormente mediante una ecuación de isoterma apropiada. En estas ecuaciones existen parámetros propios de cada uno de los modelos matemáticos siendo Freundlich y Langmuir las expresiones de isotermas más ampliamente utilizados.
Cabe destacar además, que al ser experimentos tipo batch, el balance se puede ver fácilmente que la expresión para qeq queda de forma;
20 𝑞𝑒𝑞 =
[ 𝐶 0 − 𝐶𝑒𝑞]
Siendo 𝑉l es el volumen de la solución, 𝑚𝐴 la masa total de adsorbente y 𝐶0 la concentración inicial de solución.
Esta ecuación no solo es cierta en el equilibrio, sino que además tiene que ser válid a para cada uno de los pasos del proceso. Esta sería la ecuación general del balance de materia:
𝑞(𝑡) =
[ 𝐶 0 − 𝐶(𝑡)]
Es por tanto otra característica de sistema que si representemos en el gráfico los puntos del proceso al inicio (t=0), y transcurrido en tiempo necesario para alcanzar el equilibrio (t=teq.) ,
que serían ; ( C(0)=C0 , q(0)=0 ), frente a ( Ceq , qeq), tenemos una recta de pendiente ; −𝑉𝐿 𝑚𝐴
Figura 6. Representación curvas de equilibrio.[6]
4.1.2 Isotermas de Freundlich y de Langmuir.
Tal como hemos nombrado antes las dos expresiones matemáticas más ampliamente utilizadas para isotermas de adsorción son las de Langmuir y de Freundlich. Ambas expresiones tienen como objetivo relacionar las dos parámetros claves del equilibrio en adsorción qeq y Ceq. Ambas expresiones tienen parámetros distintos para relacionar estas dos variables, y las dos tienen sus particularidades, funcionando mejor a veces una que la otra en función de las características del equilibrio que tratemos en cada caso. Cabe mencionar que además de estas dos expresiones existen otras expresiones posteriores aunque no sean tan ampliamente utilizadas. A continuación hablaremos brevemente de las de Langmuir y de Freundlich, que serán además las que estudiaremos detalladamente en los cálculos que posteriormente realizaré.