Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa148.206.53.84/tesiuami/UAMI10933.pdf · Es importante considerar que la toxicidad de los metales pesados (en especial el plomo), hace

Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa

División de Ciencias Básicas e Ingeniería Departamento de IPH

Área de Ingeniería Química

Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa

Asesora: Dra. Gretchen Terri Lapidus Lavine

Martínez Cruz Miguel Angel

Salas Bañales Eduardo .

Torres Reyes Marco Antonio

Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa

División de Ciencias Básicas e Ingeniería Departamento de IPH

Licenciatura en Ingeniería Química


Martínez Cruz Miguel Angel

Salas Bañales Eduardo .

Torres Reyes Marco Antonio

Dra. Gretchen Terri Lapidus Lavine _______________________

Av. Michoacán y La Purísima. Iztapalapa 09340. México. D.F. Tel.

5804-4606 del 3 Junio 2002 al 6 de Mayo 2003


INDICE

1. INTRODUCCIÓN.........................................................................................................................................3

2. OBJETIVOS..................................................................................................................................................4

2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................................. 4 2.2 OBJETIVO PARTICULAR ............................................................................................................................ 4

3. ASPECTOS GENERALES ..........................................................................................................................4

3.1 INDUSTRIAS PRODUCTORAS A NIVEL NACIONAL (CENSO ECONÓMICO 1994).......................................... 4 3.2 PROCESOS DE RECUBRIMIENTOS METÁLICOS............................................................................................ 5 3.3 TRATAMIENTOS PREVIOS ....................................................................................................................... 11

3.3.1 Pre-tratamientos mecánicos .......................................................................................................... 12 3.3.2 Desengrase..................................................................................................................................... 13 3.3.3 Decapado ....................................................................................................................................... 14 3.3.4 Activado ......................................................................................................................................... 15

3.4 RECUBRIMIENTO ELECTROLÍTICO........................................................................................................... 15 3.5 TRATAMIENTOS POSTERIORES ................................................................................................................ 16

3.5.1 Lacados.......................................................................................................................................... 17 3.6 DESMETALIZADO.................................................................................................................................... 18

4 GENERACIÓN DE RESIDUOS Y EMISIONES .....................................................................................20

4.1 OBSERVACIONES DE CARÁCTER GENERAL............................................................................................. 20

5 NORMATIVIDAD .......................................................................................................................................20

5.1 PRELIMINARES ....................................................................................................................................... 20 5.2 NORMAS................................................................................................................................................. 21

6. COSTEO DE LOS RESIDUOS .................................................................................................................22

7. TECNOLOGÍA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS INDUSTRIALES .....................................23

7.1 ANTECEDENTES...................................................................................................................................... 23 7.2 FLOTACIÓN ELECTROLÍTICA. .................................................................................................................. 23 7.3 INTERCAMBIO IÓNICO............................................................................................................................. 24 7.4 OSMOSIS INVERSA .................................................................................................................................. 24 7.5 PURIFICACIÓN ELECTROLÍTICA. .............................................................................................................. 24 7.6 EVAPORACIÓN........................................................................................................................................ 25

Martínez Cruz Miguel Angel, Salas Bañales Eduardo, Torres Reyes Marco Antonio 1

Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 8. ANTECEDENTES ......................................................................................................................................26

8.1 BIOMASA................................................................................................................................................ 26 8.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS PLANTAS ACUÁTICAS................................................................................... 26 8.3 LEMNA GIBBA ........................................................................................................................................ 27 8.4 BIOSORCIÓN DE METALES....................................................................................................................... 28 8.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS .................................................................................................................... 29 8.6 ALGUNOS CASOS DE ESTUDIO................................................................................................................. 31

8.6.1 Algunos estudios previos................................................................................................................ 31 8.7 PROCESO DE DESORCIÓN........................................................................................................................ 33 8.8 MOTIVACIÓN.......................................................................................................................................... 34

9. FUNDAMENTOS TEÓRICOS..................................................................................................................35

10. ETAPA EXPERIMENTAL......................................................................................................................36

10.1 OBJETIVO EXPERIMENTAL.................................................................................................................... 36 10.2 EQUIPO Y MATERIAL ............................................................................................................................ 36 10.3 PREPARACIÓN DE MUESTRAS................................................................................................................ 37

10.3.1 Caracterización del Líquido Residual ......................................................................................... 37 10.3.2 Tratamiento del Líquido Residual con Lemna Gibba .................................................................. 40

10.4 TRATAMIENTO DE UNA SOLUCIÓN MODELO CON LEMNA GIBBA .......................................................... 40 10.4.1 Biosorción con Soluciones Modelo.............................................................................................. 41 10.4.2 Biosorción con Soluciones Modelo y pH ..................................................................................... 49 10.4.3 Isotermas de Adsorción y Desorción para Pb y Ni ...................................................................... 51

10.5 ELECTROLISIS....................................................................................................................................... 56

11. DISEÑO DE EQUIPO ..............................................................................................................................57

12. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO............................................................................................................60

13. ANÁLISIS ECONÓMICO .......................................................................................................................62

14. CONCLUSIONES.....................................................................................................................................63

REFERENCIAS ..............................................................................................................................................66

APENDICES....................................................................................................................................................67

APENDICE A - ASPECTOS GENERALES ...................................................................................................... 67 APENDICE B - MÉTODOS PARA FIJAR LA BIOMASA CON EL OBJETO DE PROPORCIONARLE ESTABILIDAD Y

PROPIEDADES MECÁNICAS SATISFACTORIAS................................................................................................. 71 APENDICE C - TIPOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. ............................................................. 72


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 1. Introducción

La industria metal-mecánica es una gran generadora de aguas

residuales que contienen metales pesados, en particular el plomo y

níquel. La remoción de dicho metal implica un costo adicional para esta

industria, debido a que la legislación existente en la materia así lo exige.

Lo anterior tiene un impacto económico importante en la misma ya que

generalmente se trata de microempresas que ocupan extensiones muy

pequeñas de terreno y cuyo capital y márgenes de operación están

restringidos.

Por esta razón, y por ser muy numerosas estas empresas, debe de

estudiarse procesos que sean cada vez menos costosos así como de fácil

instalación y operación. También es importante considerar la posible

reutilización, venta o reprocesamiento del metal recuperado.

Es importante considerar que la toxicidad de los metales pesados

(en especial el plomo), hace que este problema cobre especial magnitud

ya que están en juego tanto la salud de los seres humanos y el equilibrio

de los ecosistemas, como la permanencia de estas empresas en su

ubicación actual.

Este trabajo tiene como objetivo encontrar una opción para la

remoción de metales pesados, como el plomo y níquel, de las aguas

residuales de las industrias del ramo metal mecánica utilizando biomasa

muerta (una planta acuática del género de las Lemnáceas). Lo anterior

pretende que dicha opción sea menos costosa que los métodos actuales

de tratamiento de aguas residuales.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 2. Objetivos 2.1 Objetivo General

Diseñar un proceso para remover y recuperar iones metálicos a

partir de aguas residuales, utilizando una biomasa particular de los

canales de Xochimilco.

2.2 Objetivo Particular

Aplicar el diseño al tratamiento de aguas

residuales en la industria metal-mecánica que contienen metales pesados

en particular el plomo y níquel

3. Aspectos Generales

3.1 Industrias Productoras a Nivel Nacional (Censo Económico 1994)

Existe una gran cantidad de empresas dedicadas a la actividad

metal-mecánica, las cuales llevan en sus efluentes de desecho una

concentración de metales pesados considerables. A continuación se

muestra una lista de estas empresas con la descripción de los bienes que

producen y el número existente de las mismas. Tabla 1- Clasificación de empresas de la rama metal-metalica generadoras de residuos de

metales pesados3

CLAS

E DESCRIPCIÓN UNIDADES

ECONOMICAS 382208 Fabricación de armas de fuego y cartuchos 8 383102 Fabricación de equipo para soldar 30 383301 Fabricación y ensamble de estufas y hornos de uso domestico 145 384110 Fabricación y ensamble de automóviles y camiones 28


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 384121 Fabricación y ensamble de carrocerías y remolques para

automóviles y camiones 566

384122 Fabricación de motores y sus partes para automóviles y camiones

93

384123 Fabricación de partes para el sistema de transmisión de automóviles y camiones

37

384124 Fabricación de partes para el sistema de suspensión de automóviles y camiones

89

384125 Fabricación de partes y accesorios para el sistema de frenos de automóviles y camiones

110

384202 Fabricación y reparación de equipo ferroviario 18 381202 Fabricación y reparación de tanques metálicos 272 381203 Fabricación y reparación de calderas industriales 33 381204 Fabricación de puertas metálicas, cortinas y otros trabajos de

herrería 28084

381300 Fabricación y reparación de muelles metálicos y accesorios 1031 381401 Fabricación y reparación de utensilios agrícolas y herramientas

de mano sin motor 381

381402 Fabricación de hojas de afeitar, cuchillería y similares 70 381403 Fabricación de chapas, candados, llaves y similares 49 381404 Fabricación de alambres y productos de alambre 365 381405 Fabricación tornillos, tuercas, remaches y similares 548 381406 Fabricación de clavos, tachuelas, grapas y similares 48 381407 Fabricación de envases y productos de hojalata y laminas 609 381408 Fabricación de corcholatas y otros productos troquelados y

esmaltados 188

381409 Fabricación y reparación de válvulas metálicas 180 381410 Fabricación y reparación de quemadores y calentadores 58 381411 Fabricación de baterías de cocina 155 3.2 Procesos de Recubrimientos Metálicos

Los procesos de recubrimientos electrolíticos o químicos, también

denominados galvanotecnia consisten en depositar por vía electroquímica

finas capas de metal sobre la superficie de una pieza sumergida en una

solución de iones metálicos o electrolito. Para ello se emplean productos

químicos relativamente puros, sales y metales, de forma que durante la

operación se depositan los metales empleados sobre las piezas. Los

procesos de recubrimiento metálicos merecen una valoración favorable


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa también en lo que respecta a la conservación de los recursos, puesto que

a diferencia de la fabricación de piezas en base de un metal de alto valor

(latón, cobre, acero inoxidable), este revestimiento sólo requiere

pequeñas cantidades de metal para incrementar el valor añadido de las

piezas y una utilidad para múltiples fines (decoración, dureza,

anticorrosión).

El principio básico de los procesos de recubrimiento electrolíticos

consiste en la conversión del metal del ánodo en iones metálicos que se

pasan en la solución. Estos iones se depositan en el cátodo (pieza que

será recubierta) formando una capa metálica en su superficie (Figura 1).

Figura 1. Principio de la deposición electrolítica.

Los procesos de recubrimiento electrolíticos son reacciones de

oxidación-reducción. En primer lugar, y salvo excepciones como cromo,

se oxida (o disuelven con carga positiva) el metal del ánodo. Los iones

metálicos en solución se reducen o metalizan sobre las piezas a recubrir.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Los electrones para la reducción de los iones metálicos los suministra un

reductor contenido en el electrolito o bien, en raras ocasiones, el contacto

directo con un metal menos noble. Los electrolitos para la deposición

química contienen siempre soluciones buffer para mantener constante el

pH y tienen una duración limitada. Se puede obtener las capas

depositadas sin corriente externa en piezas de geometría muy compleja

con una distribución muy homogénea del espesor del recubrimiento.

Los siguientes factores químicos constituyen el segundo grupo

importante de condiciones a controlar:

• Concentración de los iones metálicos y especificación química.

• Tipo y concentración de los aniones y/o acomplejantes.

• pH.

• Tipo y concentración de los tensoactivos.

• Tipo y concentración de aditivos específicos para conseguir las

propiedades deseadas durante el proceso de recubrimiento.

Los electrolitos son formulados de una manera especifica y no son

en ese sentido en absoluto intercambiables. Los campos de aplicación de

los recubrimientos metálicos se dividen en tres grupos:

• Recubrimientos decorativos.

• Recubrimientos anticorrosivos.

• Recubrimientos funcionales (protección contra el desgaste y la

fricción, para lograr propiedades eléctricas especiales, posibilitan

la realización de soldaduras)


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa En la Tabla 2 se relacionan los principales campos de aplicación para los

diferentes tipos de revestimiento. Tabla 2. Principales campos de aplicación de los recubrimientos electrolíticos y químicos

en función del tipo de revestimiento.

Campos de aplicaciones de los recubrimientos Tipos de Decorativos Protección Recubrimientos funcionales

Recubrimientos Anticorrosiva Antifricción Electrotécnica

Soldadura

Plomo * Aleaciones de plomo-estaño

* * * *

Cromo * * * Oro y

aleaciones de oro

* * * *

Cobre * * * Aleaciones de

cobre * *

Níquel (electrolítico)

* * * * *

Níquel (químico)

* * * *

Plata * * * Cinc *

Estaño * * *

Las exigencias a las propiedades de los diferentes recubrimientos

metálicos son múltiples. Por esta razón se han desarrollado con el tiempo

una gran variedad de tipos y composiciones de electrolitos, con el objeto

de satisfacer todas estas exigencias. Los electrolitos se clasifican en

función de sus componentes, que se enlistan a continuación:

• Sales, que contienen en disolución el metal cuya deposición se

pretende.

• Aditivos para influir sobre las propiedades del electrolito.

• Aditivos para influir sobre las propiedades del recubrimiento.



El recubrimiento electrolítico de las piezas se produce casi

exclusivamente por inmersión en un baño. Al extraer las piezas del baño

arrastran una cantidad del electrolito sobre la superficie de las piezas. Esa

película superficial arrastrada se elimina en un proceso de lavado

posterior para que no interfiera en las siguientes operaciones o altere las

condiciones de acabado exigidas.

En función de la producción, la diversidad de recubrimientos y el

grado de tecnificación, los procesos de recubrimientos pueden ser

manuales o automáticos. Dentro de estos dos grupos se distingue a la vez

entre el transporte de piezas en bastidor (o estático) y en tambor (o

bombo), en función del tipo de piezas, de la calidad requerida y de los

costos asumidos.

Una línea de recubrimientos electrolíticas está compuesta por

numerosas operaciones que, en función de las exigencias de calidad y el

campo de aplicación seleccionado pueden agruparse del siguiente modo:

• Tratamientos previos

• Pre-tratamiento mecánico de las superficies.

• Desengrase.

• Decapado

• Activado, neutralizado

• Tratamiento principal



• Deposición previa de un recubrimiento metálico de

protección que facilita el revestimiento posterior sobre

materiales críticos (aluminio, plástico)

• Deposición de un recubrimiento metálico.

• Tratamiento posterior

• Recubrimientos químicos para mejorar las propiedades

anticirrosivas y funcionales del revestimiento (cromatizado,

sellado, lacado).

• Tratamiento mecánico posterior (pulido, mateado,

conformado).

• Secado.

• Control de calidad.

• Destamización


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa En la Figura 2 se muestra un proceso típico de la industria galvanoplástia

Materias Primas Etapa Impacto ambiental

Solventes Orgánicos

Desengrase

Enjuagues Contaminados

Vapores

Ácido Sulfúrico Ácido Crómico en Solución

Sensibilización

Goteo Enjuagues Agotados

Ácido Clorhídrico Cloruro Estannoso

Activación

Goteo

Cloruro de Paladio

Nucleación

Enjuagues agotados

Reductor, Hiposulfito sódico, Formaldehído

Pos- nucleación

Sales de cobre, níquel o plata, ácido sulfúrico, ácido crómico

Premetalizado

Goteo al piso

Sales de cobre, niquelado o plata, ácido sulfúrico, ácido crómico

Metalizado

Goteo al piso Baños agotados

Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de galvanoplástia

3.3 Tratamientos Previos

Las piezas a recubrir deben presentar, como en todos los procesos

de recubrimiento, una superficie metálica totalmente limpia y lisa. La


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa limpieza puede efectuarse por vía física o química. Los tratamientos

previos son específicos en función de las sustancias a eliminar de las

superficies (Tabla 3) Tabla 3. Eliminación de impurezas

Impurezas, defectos en la superficie

Tipo de tratamiento previo Sustancias empleadas

Asperezas, defectos en la superficie

Rectificado, pulido, chorreado

Abrasivos

Grasas, aceites Desengrase Silicatos, emulsiones, tenso activos, disolventes

orgánicos Óxidos, sales Decapado, mordentado,

activado Ácidos

3.3.1 Pre-Tratamientos Mecánicos El pre-tratamiento mecánico que arranca de la superficie de la

pieza una fina capa, incluye procesos como el cepillado, pulido y

rectificado, que permiten eliminar asperezas o defectos de las superficies.

En menor medida se aplica la técnica del chorreado que permite eliminar

junto con las asperezas y defectos de la superficie, los aceites, óxidos y

restos de finos del mecanizado. Tras estas operaciones es necesario

someter a las piezas a un proceso de lavado, puesto que durante las

etapas anteriores se deposita sobre la superficie de las piezas, una parte

de la grasa y del abrasivo utilizado, así como polvo metálico.



Figura 3.Pre-tratamientos mecánicos

3.3.2 Desengrase En la fabricación de piezas se emplean grasas, aceites y sustancias

similares, como refrigerantes y lubricantes. A menudo también se

engrasan las piezas como protección anticorrosivo temporal.

El desengrase puede efectuarse básicamente de dos formas: con

disolventes orgánicos o en soluciones acuosas alcalinas con poder

emulsificador.



Figura 4. Operación de Desengrase Acuoso

3.3.3 Decapado

El contacto entre atmósfera y pieza metálica provoca la formación

de capas de óxido. El objeto del decapado es su eliminación. El baño

decapado contendrá diversos tipos de metales en solución en función del

tipo de material y del grado de mantenimiento y desmetalizado de los

contactos de bombos y bastidores.



Figura 5. Operación de Decapado

3.3.4 Activado

El proceso de activado, también llamado neutralizado e inclusive

decapado suave, se utiliza para eliminar esa pequeña capa de óxido que

se ha formado sobre la superficie del metal una vez que la superficie ha

sido tratada o lavada en sucesivas etapas.

Esa pequeña capa de óxido hace que la superficie se pasiva y por lo

tanto sea poco conductora. Las soluciones empleadas son por lo general

ácidas muy diluidas. Los activados permiten asimismo eliminar velos y

manchas generados por compuestos orgánicos y/o inorgánicos.

3.4 Recubrimiento Electrolítico

La deposición de un determinado metal puede obtenerse a partir de

baños o electrolitos de diferente composición. Las propiedades


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa específicas de los recubrimientos dependen de los componentes del

electrolito utilizado. La calidad de recubrimiento exigida para un campo

de aplicación especifico, sólo puede cumplirse manteniendo unas

condiciones de trabajo constantes y definidas y realizando un

seguimiento exhaustivo de los mismos. La estabilidad a largo plazo de

los electrolitos, es de gran importancia para minimizar la generación de

baños electrolíticos contaminados.

Figura 6. Operación de Recubrimiento electrolítico

3.5 Tratamientos Posteriores

Existen diferentes tipos de baños de pasivos crómicos en función

de su composición, temperatura y pH. Por lo general se emplea este tipo

de pasivazos de carácter químico para evitar la corrosión de la superficie

recubierta. Para mejorar aún más las propiedades anticorrosivos del


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa pasivo crómico, se extiende a la operación de sellado con silicatos y otras

sustancias orgánicas en base acuosa.

Figura 7. Operación de Pasivazo Crómico

3.5.1 Lacados Las operaciones de lacado electrolítico en base acuosa de piezas

metalizadas tienen una presencia creciente en el mercado, sobre todo

como protección anticorrosivo de acabados decorativos de gran valor

añadido (plata, latón, oro) o como sustituto de revestimientos

electrolíticos de alto costo o de gran dificultad técnica (oro o bronce).

Los baños de lacado exigen un alto grado de mantenimiento,

siendo necesario al menos una ultrafiltración del baño para evitar la

acumulación de ácidos organicos.



Figura 8. Operación de Lacado

3.6 Desmetalizado

La operación de desmetalizado va dirigida a eliminar los

recubrimientos de piezas rechazadas o de los contactos de los bastidores

sin atacar el metal base. Los desmetalizados pueden ser electrolíticos

(anódicos) o químicos. Los primeros tienen una composición similar a un

electrolito. Los segundos suelen contener complejantes fuertes que

pueden generar problemas en los tratamientos de aguas residuales.

En la Figura 9 se muestra un proceso típico de acabado



Materias Primas Etapa Impacto

Solventes Soda , carbonato de sodio Fosfato de sodio Humectantes

Desengrase

Goteo al piso Aceites emulsificados Partículas en suspensión

Agua

Sensibilización

Aguas alcalinas

Ácido Clorhídrico, nítrico, sulfúrico, inhibidores

Activación

Generación de hidrógeno, lodos metálicos, niebla ácida

Soluciones alcalinas

Nucleación

Generación de lodos, goteo al piso

Agua

Pos- nucleación

Aguas residuales

Sales metálica sulfatos, cloruros, cianuros) de zinc, cobre y níquel. Ácidos inorgánicos

Premetalizado

Nieblas ácidas o básicas Goteo al piso

Agua

Metalizado

Aguas residuales Sales metálicas disueltas

Secado

Vapores

Figura 9. Operaciones realizadas en acabado


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 4 Generación de Residuos y Emisiones

4.1 Observaciones de Carácter General

Los procesos de recubrimientos electrolíticos generan todo una

serie de residuos y emisiones. Las emisiones más importantes son las

aguas residuales procedentes básicamente de los enjuagues tras las

operaciones.

Las dos corrientes más típicas de residuos están constituidas por los

baños agotados y los lodos galvánicos que se obtiene en los procesos de

depuración de los diferentes flujos contaminados que se generan en los

procesos galvánicos.

5 NORMATIVIDAD

5.1 Preliminares En el sector industrial, están registradas en México 35 000

empresas, de las cuales 12 400 generan considerables cantidades de

aguas residuales.

En el año 2000, el volumen de aguas residuales se calculó en 159

m3 por segundo; con una carga de desechos de 1.6 millones de toneladas.

En las 1354 plantas depuradoras existentes se tratan solamente 21

m3 por segundo (13%) de las aguas residuales industriales. 543 plantas

disponen exclusivamente de un tratamiento primario. Otras 737 plantas


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa tienen además de éste también un tratamiento biológico. De esa manera

un total de 65.6% de las aguas residuales se somete a tratamiento. (Ver

Apéndice C)

En enero de 2000, un total de 880 de estas plantas depuradoras no

cumplieron las normas y legislaciones actuales4.

5.2 Normas

La normatividad nacional regula los contaminantes en sus estados

sólidos líquidos y gaseosos. En cuanto a los residuos, la NOM-052-

ECOL-1993 norma las características de los residuos peligrosos, cuales

son éstos y los límites de los mismos en los diferentes medios.

En cuanto a los efluentes residuales industriales, la NOM-002-

ECOL-1996 marca los límites permisibles de contaminantes en las

descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o

municipal, con el fin de prevenir y controlar la contaminación de las

aguas y bienes nacionales, así como proteger la infraestructura de dichos

sistemas, y es de observancia obligatoria para los responsables de dichas

descargas. Esta norma no se aplica a la descarga de las aguas residuales

domésticas, pluviales, ni a las generadas por la industria, que sean

distintas a las aguas residuales de proceso y conducidas por drenaje

separado5

En cuanto al plomo y níquel, se tienen los siguientes límites

máximos permisibles:



Tabla 4. Límite máximo permisible5 para contaminantes de las descargas de aguas residuales según NOM-002-ECOL-1996

PARÁMETROS(miligramos por litro, excepto cuando se

especifique otra)

PROMEDIO MENSUAL

PROMEDIO DIARIO

INSTANTANEO

Plomo total 1 1.5 2 Níquel total 4 6 8

6. Costeo de los Residuos

La compañía Herrajes S.A. paga las siguientes cantidades por que

se lleven sus aguas residuales: El costo de confinamiento por tambo de

200 litros es de $450.00 Consecuentemente el costo por litro es de $2.25.

Se extraen 15 tambos cada mes y medio, por lo tanto se desechan 67

litros diarios en promedio. Al año se tiene un promedio de 24,455 litros

de aguas residuales ó aproximadamente 24m3. Por lo que anualmente el

costo promedio de $55,000.00.

Figura 10. Confinamiento de las aguas residuales


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 7. Tecnología para el Tratamiento de Aguas Industriales 7.1 Antecedentes

Actualmente existen distintos métodos de tratamiento de este tipo

de aguas. A continuación se presenta el esquema general de cada uno de

ellos, para poder comparar posteriormente las ventajas y desventajas con

el proceso propuesto en este trabajo.

Precipitación química. Esta técnica genera una gran cantidad de

residuos peligrosos, no teniendo una posibilidad viable para su

recuperación1.

7.2 Flotación Electrolítica.

El equipo consiste de dos cámaras separadas; en una de estas

cámaras se encuentra el agua residual la cual se somete a electrólisis. Se

genera una espuma la cual se desborda a la siguiente cámara que

funciona como tanque de flotación y sedimentación. Los sólidos se

depositan en el fondo, la espuma flota a la parte superior y el agua se

obtiene de la parte media de la misma. Este método presenta algunos

inconvenientes: el reducido porcentaje de remoción de metales del

efluente, y que la flotación requiere una cantidad elevada de energía

eléctrica, así como un ánodo y un cátodo para la electrólisis lo cual

aumenta el costo. Se requeriría además tratar los enjuagues de forma

individual1.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 7.3 Intercambio Iónico.

Se intercambian iones entre un sólido y un líquido en donde no se

presenta un cambio sustancial en la estructura del sólido. Son utilizadas

resinas las cuales constan de cationes intercambiables, entre los cuales se

encuentra el hidrogeno u otros iones monovalentes como el sodio. Las

resinas llegan a saturarse por lo que deben de ser regeneradas con una

solución concentrada que contenga el ión original de la resina. Al utilizar

resinas para tratar aguas con una alta concentración del metal a remover,

éstas se saturada rápidamente. Por lo anterior, esta metodología no es

apropiada para una tratamiento inicial al agua de los enjuagues, sin

embargo se puede proponer para una agua ya tratada1.

7.4 Osmosis Inversa

El agua pura se difunde a través de una membrana semipermeable

(la que permite el paso del disolvente, pero no de las sustancia disueltas)

desde una disolución de sal (u otras disoluciones como aguas residuales),

a presiones arriba de la presión osmótica. La membrana suele ser de

acetato de celulosa colocada sobre un soporte poroso2. En general este

método es una manera muy costosa de generar una solución más

concentrado de sales.

7.5 Purificación Electrolítica.

Se lleva a cabo para soluciones no tan diluidas con el fin de

recuperar el metal. El metal, que se deposita en el cátodo, proviene de las


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa soluciones gastadas en otro proceso electrolítico sin adicionar ningún

agente químico ni reposición de iones, usando como ánodo un electrodo

inerte. Si existe cianuro presente, es una prioridad retirar en primera

instancia. Lo anterior lleva a la remoción parcial de los metales

presentes1.

7.6 Evaporación.

El sistema de evaporación puede ser aplicado prácticamente a todo

los tipos de soluciones. Puede ser empleado para baños de cianuro, zinc,

cadmio, cobre, plata y bronce, ácido crómico, níquel, soluciones de

fluoruboratos para estaño, plomo-estaño, plomo-estaño-cobre y

soluciones de cloruros de zinc. Este procedimiento es sencillo y de bajo

costo, si se utiliza energía solar. Las soluciones se sitúan en una especie

de cubetas poco profundas, cuyo fondo está revestido con un aislante

negro, cubiertas por un techo inclinado de cristal o de plástico

transparente. La luz solar que atraviesa este techo es absorbida por el

revestimiento negro y devuelta en forma de radiación infrarroja (calor),

que calienta el agua y produce su evaporación y posterior condensación

sobre la cara inferior, más fresca, del techo transparente. El agua se

desliza por éste hasta unos canalones de recogida. En las cubetas van

quedando depositados los sólidos disueltos en el agua2. Sin embargo, no

representa una solución a aguas residuales industriales por su volumen

elevado y por la generación de lodos.



En general los métodos antes mencionados son muy costosos y/o

producen cantidades elevadas de residuos toxicos. Esto motiva el estudio

de la biomasa (viva y/o inerte) como agente de remoción de metales

pesados de las aguas residuales industriales.

8. Antecedentes

8.1 Biomasa

Cantidad de materia viva producida en una determinada especie de

la superficie terrestre, o por organismos de un tipo especifico6.

8.2 Características de las Plantas Acuáticas

La plantas acuáticas se encuentran ampliamente distribuidas en el

mundo. Crecen asociadas a cuerpos de agua ricos en nutrientes o en

suelos que están cubiertos con agua durante la mayor parte de la

temporada de crecimiento (como en los canales de Xochimilco).

Las plantas acuáticas, en forma viva, han sido utilizadas para el

tratamiento de aguas residuales en pantanos naturales o artificiales,

donde dichas plantas proliferan considerablemente. El fundamento de

este tipo de tratamiento consiste en que los compuestos presentes en el

agua son absorbidos e incorporados dentro de la estructura de las plantas

acuáticas, logrando eliminar la contaminación del agua y favoreciendo la

restauración de la calidad de la misma.

Las macrofitas acuáticas usadas para el tratamiento de las aguas

residuales deben contar con las siguientes características:



• Alta productividad.

• Alta eficiencia de remoción de nutrientes y contaminantes.

• Alta predominancia bajo condiciones naturales adversas.

• Fácil cosecha.

Si se utiliza como biomasa muerta solamente se debe cumplir dos

características

• Alta eficiencia de remoción de contaminante.

• Abundancia.

8.3 Lemna Gibba

La familia de la Lemnáceas comprende cerca de 35 especies y 4

géneros: Spirodela, Lemna, Wolffiela y Wolffia; de éstos el más

utilizado en el tratamiento de efluentes ha sido el género Lemna. Las

plantas del género Lemna son conocidas comúnmente como lentejillas de

agua. Sus hojas son pequeñas y raramente exceden los 5 milímetros de

longitud. Algunas veces las hojas se agregan como resultado de la

reproducción vegetativa de la planta, pero en general la planta puede

permanecer agregada o solitaria7.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa La Lemna Gibba es una especie del género de las Lemnáceas

Figura. 11 Esquema de la Lemna Gibba e imagen de la misma

8.4 Biosorción de Metales

El descubrimiento de la biosorción de metales ha servido de base

para el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan la

descontaminación mediante remoción de metales a partir de residuos

líquidos. En algunos casos, puede incluso pensarse en la recuperación de

metales valiosos.

La biosorción es un concepto que se ha acuñado para describir el

fenómeno de captación pasiva de iones metálicos, en el cual sólo

participan interacciones de tipo físico-química con los componentes

externos de la célula, por lo tanto, se trata de una unión de tipo

reversible. No es necesario que el espécimen se encuentre en activo


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa crecimiento cuando va a ser utilizado en un proceso de biosorción,

incluso se puede emplear biomasa muerta o inactiva. Por estas

características, este último fenómeno de captación pasiva es más

adecuado para aplicarlo en un proceso de remoción de iones metálicos,

pues es menos afectado por cambios en las condiciones ambientales,

tales como temperatura o la presencia de iones tóxicos8.

El tratamiento biológico de materiales inorgánicos se presenta

entonces como una nueva opción a los métodos existentes para la

recuperación de metales pesados u otros tóxicos de los afluentes

industriales. Una ventaja adicional es que dichos tratamientos tienen un

bajo consumo de energía.

8.5 Ventajas y Desventajas

Las ventajas y desventajas de la biosorción se presentan a

continuación:

1. Ventajas

• Como es independiente del crecimiento, la biomasa muerta no está

sujeta a las limitaciones de toxicidad. No necesita de nutrientes en

la solución de alimentación, de disposición de nutrientes, ni

productos metabólicos.

• El proceso no se encuentra gobernado por restricciones

fisiológicas, o sea no depende del crecimiento.



• La selección de la técnica de inmovilización no está gobernada por

limitaciones de toxicidad o inactivación térmica.

• La captación de metales es eficiente y muy rápida; la desorción y

recuperación se realiza fácilmente, siguiendo isotermas

convencionales de adsorción. También es posible definir el proceso

matemáticamente.

2. Desventajas

• Saturación inmediata de los sitios metal-interactivos. Cuando se

encuentran ocupados, la desorción es necesaria antes de reutilizar

la biomasa.

• La adsorción es sensible a los cambios de pH.

• El estado de valencia del metal no puede ser alterado

biológicamente para dar formas menos solubles.

• No existe capacidad para degradar especies organometálicas.

El mejoramiento de estos procesos biológicos es limitado ya que las

células no efectúan un metabolismo. La producción de agentes

adsorbentes ocurre durante la etapa de precrecimiento. Existe una


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa incomprensión del proceso bioquímico de la producción del agente

adsorbente, hecho que dificulta su optimización9.

8.6 Algunos casos de Estudio

Se ha estudiado diferentes tipos de biomasa muerta o inerte para la

adsorción de metales en solución. En la Tabla 5 se presenta algunos de

los tipos de biomasa investigados. Tabla 5. Tabla comparativa de diferentes tipos de Biomasa inerte

Tipo de biomasa inerte

Características

Algas cafés secas, Sargassum natans, Focus vesiculosus y Ascophyllum

Demostraron un nivel alto de captación de cadmio a partir de soluciones acuosas.13

Algas marinas secadas al sol: Macrocystis pyrifera, Undaria, Laminaria, Aschophyllum nodosum, Sargasum fluitans, Sargassum natans; algas verdes, Cosium Taylori, Halimeda opuntia; algas rojas, Chondrus crispus, Palmira palmata, Porphyra, Tenera

Se han probado como biosorbentes para la acumulación de oro.10

8.6.1 Algunos Estudios Previos

Se ha estudiado cuantitativamente el proceso de adsorción de iones

metálicos en la biomasa. Se ha elegido el modelo de la isoterma de

Langmuir para estimar la cantidad máxima adsorbida de ión cadmio por


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Aschophyllum nodosum9. Al incrementar la concentración de cobre en la

solución se le detectó adsorbido en mayor cantidad en la biomasa10. La

remoción de cationes cadmio en solución, con Aschophyllum nodosum a

pH de 2 resultó ser inferior a la obtenida a un pH de 4.9.

En la captación de oro con Sargassum natans se efectuaron pruebas

a distintas temperaturas con diferentes valores de pH11,12,13. Se encontro

que el pH afectó apreciablemente la captación de oro en Sargassum

natans, la cual es mayor a valores de pH inferiores a 3. Palmira palmata,

Chondrus crispus y Porphyra tenera (algas rojas) exhiben mayor

captación a un pH de 411. Algunos estudios acerca de la biosorción de oro

en Sargassum natans indican que el mecanismo de este proceso puede

esta basado en la adsorción en combinación con la reducción del oro14.

La concentración inicial de oro no mostró un efecto apreciable sobre la

forma de la isoterma de biosorción de oro11.

Cabe destacar que las temperaturas de secado, en la preparación de

la biomasa, por debajo de 100°C no tienden a afectar apreciablemente su

capacidad de captar iones metálicos, aunque se prefieren temperaturas

inferiores a 50° C o bien, secarlas a la luz del sol9.

En el proceso propuesto aquí se pretende que la biomasa inerte sea

soportada debida a que esto eleva los costos del proceso. Además, por la

naturaleza de la Lemna, podría no ser necesario. Sin embargo, no se

puede dejar de tener presente dicha opción, puesto que en trabajos con

otras especies vegetales se ha visto la conveniencia de tener inmovilizada

la biomasa con un soportes inorgánico u orgánico, ya que cuando la

biomasa nativa se rehumedece al ponerla en contacto con la solución


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa metálica se hincha y se vuelve muy suave, desmoronándose fácilmente.

La formación de partículas porosas de biomasa, que se pueden utilizar en

la determinación de parámetros para el diseño y escalamiento9, le

proporcionan características mecánicas que no poseía en su estado

nativo. Existen distintos métodos para fijar la biomasa con el objeto de

proporcionarle estabilidad y propiedades mecánicas satisfactorias. (Ver

Apéndice B)

Figura 12. Microscopia de la Lemna Gibba inactiva (muerta) a 430µm.

8.7 Proceso de Desorción

Un tratamiento con ácido es usado para la remoción de metales de

las partículas floculadas3. Por ejemplo, tanto el cobre, cadmio, zinc y

plomo se separan de los flóculos en la medida que se incrementa la

acidez. Una vez recuperados los iones metálicos en la solución ácida,

estos son precipitados por electrolisis y así se obtiene el metal sólido.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Posteriormente si el tratamiento ácido no afecta la capacidad de la

biomasa de captar metales se puede reutilizar.

8.8 Motivación

Resulta evidente que los metales pesados pueden ser recuperados

aprovechando la capacidad de las algas o otra biomasa que adsorber

metales pesados. Por tal motivo se busca desarrollar una metodología

para la recuperación de metales pesados usando un agente adsorbente

que cumpla las siguientes demandas:

• La adsorción y liberación del metal debe ser eficiente y rápida.

• El agente adsorbente debe ser producido a un costo mínimo.

El agente inmovilizador de la biomasa, de ser necesario, debe

proporcionar las características mecánicas necesarias para incluir la

biomasa en un proceso industrial.

El reactivo usado para la liberación del metal debe ser económico y

la desorción del metal debe ser casi completa.

Es deseable que el proceso de adsorción tenga la capacidad de

recuperar los diferentes metales que se encuentren en los efluentes que se

sometan al tratamiento y si es posible, desarrollar un agente adsorbente

que pueda regenerarse para su reutilización.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 9. Fundamentos Teóricos

Las macrófitas acuáticas han sido consideradas como una plaga

debido a su rápido crecimiento, ya que en ocasiones llegan a invadir

lagunas, lagos, presas y canales generando varios problemas. En los

canales de Xochimilco existe un tipo particular de macrofita, la lemna

gibba, la cual tiene capacidad de biosorción tanto cuando está viva como

en estado inerte (ya muerta).

En estado inerte presenta las características de biosorción de otras

plantas acuáticas ya mencionadas, como las algas, probablemente con la

ventaja de no requerir un soporte.

Se ha visto que la Lemna Gibba presenta en estado inerte, una

selectividad notable por los metales pesados, razón por la que se propone

utilizar para remover el plomo y níquel de aguas residuales industriales

que contienen este metal. Se pretende también que una vez que se haya

saturado la planta se proceda la desorción utilizando para ello una

solución ácida, de forma similar a lo hecho con otras plantas acuáticas.

Una vez llevado a cabo el tratamiento anterior se reutilizará la lemnacea

en el proceso de biosorción.

En cuanto a la solución ácida, se le pretende tratar ya sea con

electrólisis, para así recuperar el metal, o realizar una precipitación

química con lo que se obtendrían sales del metal en cuestión. De

necesitar purificar o concentrar los metales, se puede considerar el uso de

una extracción con solventes. En todo caso se pretende obtener un


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa producto que sea vendible. También se espera poder reutilizar la solución

ácida.

En el caso de que no se pudiera desorber el plomo de la Lemna

Gibba, entonces se procederá a su confinamiento. En este caso, la ventaja

que se tendría sería la de que el volumen del despojo es mucho menor

que el volumen de las aguas residuales.

10. Etapa experimental

10.1 Objetivo Experimental

• Investigar las condiciones más convenientes para la adsorción de

los iones de plomo y níquel por la biomasa y su eficacia de

adsorción para estos metales

• Estudiar las condiciones de desorción de los iones y su separación

10.2 Equipo y Material

Para el análisis de las muestras se utilizó

un espectrofotómetro de adsorción atómica con el cual se

pueden medir concentraciones de iones metálicos en solución. El

principio de funcionamiento de este aparato está basado en la generación

de átomos en estado basal y en la medición de cantidad de energía

absorbida por estos (absorbancia), la cual es directamente proporcional a

la concentración de ese elemento en la muestra analizada.



El espectrofotómetro de absorción atómica (EAA), marca

VARIAN, modelo SPECTRA AA con haz sencillo o doble haz y

computadora integrada5, consta de las siguientes partes: monocromador,

detector, fotomultiplicador ajustable al ancho de banda espectral,

intervalo de longitud de onda de 190 a 900 nm provisto de una interfase

con registrador.

Se utilizaron las siguientes sustancias:

• Biomasa inerte (Lemna Gibba).

• Patrón de plomo (con 1000ppm).

• Patrón de Hierro (con 1000ppm).

• Patrón de Níquel (con 1000ppm).

• Patrón de Zinc (con 1000ppm).

• Ácido Nítrico.

10.3 Preparación de Muestras

10.3.1 Caracterización del Líquido Residual

Se obtuvo una muestra de líquido residual de la Empresa Herrajes

S.A. Cabe aclarar que inicialmente se pensaba que el líquido residual era

predominantemente agua, con una pequeña cantidad de algún solvente

orgánico. Posteriormente se vio que el solvente orgánico formaba la

mayor parte del líquido residual y si éste contenía agua, existía en una

cantidad mínima.

Esto se descubrió al tratar de diluir con agua: en el líquido residual

se formaron dos fases, la del agua agregada y la del líquido residual.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Otro indicativo de que se trataba de una dilución en un solvente

orgánico y no una solución acuosa se dio al tratar de medir el pH del

líquido residual. Se tuvo una constante variación en los valor del mismo,

no teniendo un valor que se pudiera considerar confiable.

Cabe puntualizar que se realizó una consulta a los profesores del

Departamento de Química para poder identificar la parte orgánica del

líquido residual, quienes opinaron que dicho líquido posiblemente fuera

Xileno o Tolueno. Se consideró que la identificación de dicho líquido

residual salía del objetivo del presente proyecto.

Se calculo la densidad del líquido residual en base a los datos

obtenidos con un picnómetro, el valor de dicha densidad es de: ρ= 1.357

g/cm3.

Las características cualitativas del líquido residual son:

• Color: Amarillo translucido.

• Olor: Similar al de los disolventes orgánicos utilizados en las

tintorerías.

• Consistencia: Aceitosa al tacto.

• No totalmente homogéneo (para tomar una muestra había que

agitar).

Se extrajeron los iones metálicos contenidos en el líquido residual

utilizando una solución acuosa de ácido nítrico al 5%, para después

medir los iones presentes en la fase acuosa.

Con el equipo de adsorción atómica se identificaron los metales

que contenía el líquido residual. Por información de la industria de la


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa cual provenía el liquido residual (Herrajes S.A) contenía plomo (Pb),

Hierro (Fe), Níquel (Ni), Zinc (Zn), Cobre (Cu) y Aluminio (Al), puesto

que estos metales son los que se trabajan en dicha industria.

Los resultados fueron los siguientes: Tabla 6. Datos de concentración de Pb en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de

líquido residual-agua desionizada. Solución acuosa de ácido Nítrico al 5% (ml)

Volumen de Liquido Residual (ml)

Concentración (ppm) Pb

10 90 1.26 20 80 1.81 40 60 3.00 60 40 6.61

Tabla 7. Datos de concentración de Zn en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de

líquido residual-Agua desionizada. Solución acuosa de ácido Nítrico al 5% (ml)


Concentración (ppm) Zn

10 90 1.4 20 80 <1.6 40 60 <1.6 60 40 <1.6

Tabla 8. Datos de concentración de Fe en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de



Concentración (ppm) Fe

10 90 1.20 20 80 2.26 40 60 4.38 60 40 <5



Tabla 9. Datos de concentración de Ni en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de líquido residual-Agua desionizada.

Solución acuosa de ácido Nítrico al 5% (ml)


Concentración (ppm) Ni

10 90 0.2 20 80 0.4 40 60 0.9 60 40 2.2

Tabla 10. Datos de concentración de Cu en la fase acuosa, de una mezcla no miscible de



Concentración (ppm) Cu

10 90 0.01 20 80 0.01 40 60 0.02 60 40 0.08

10.3.2 Tratamiento del Líquido Residual con Lemna Gibba

Se colocaron 60 ml del Líquido Residual en un vaso de precipitado

y se vierte sobre 0.75 g de Lemna para ver si se adsorben los iones

metálicos. A esta muestra no se le colocaron la solución de ácido nítrico

al 5%.

Al tratar de cuantificar la concentración de iones que se adsorbieron en la Lemna (esto se hizo midiendo la concentración de iones metálicos, de la muestra a la que se hace referencia, con el espectrómetro de absorción atómica) el resultado de ésta medición indicó que no había variado la concentración de iones metálicos en la muestra. Por lo tanto se concluye que la Lemna no puede adsorber dichos iones directamente de la fase orgánica de la muestra.

10.4 Tratamiento de una Solución Modelo con Lemna Gibba



Como alternativa de trabajo, se prepararon soluciones modelo a

partir de soluciones patrón de 1000 ppm (distribuido por HYCEL de

México S.A. de C.V.), descartando trabajar con el líquido residual.

10.4.1 Biosorción con Soluciones Modelo

Para llevar a cabo los experimentos de biosorción se planteó

primero dejar fija la concentración de cada metal y variar la cantidad de

adsorbente (Lemna Gibba). Las primeras soluciones fueron preparadas a

10 ppm del metal correspondiente y la cantidad de adsorbente varió de

0.2g/100ml a 1.00g/100ml para el caso del plomo y del níquel. Para el

caso del zinc, la concentración de las muestras fue de 1.6 ppm y la

cantidad del sólido adsorbente varió de 0.05g/100ml a 0.25g/100ml. Los

resultados de estos experimentos se muestran en las Figuras 13, 14 y 15.

Es importante observar que en todas las graficas la cantidad total, es

cantidad total de metal adsorbido (en mg) por unidad de masa (en este

caso gramos) de material adsorbente (Lemna Gibba). La concentración al

equilibrio es la concentración medida en la solución después de la

biosorción.

ADSORCIÓN DE Pb

Ci[ppm] Cf*[ppm] C Lemna mg Pb/ LSol L Sol mg Pb Cant.ads,mg Pb/ g lemna g(Lemna) 10 5.37 4.63 0.1 0.463 2.270 0.204 10 4.2 5.8 0.1 0.58 1.443 0.402 10 2.96 7.04 0.1 0.704 1.173 0.6 10 2.99 7.01 0.1 0.701 0.876 0.8 10 3.16 6.84 0.1 0.684 0.684 1



0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6

Concentración al equilibrio, C[F], mg/l

Cad

s, m

g Pb

/g d

e le

mna

*10-1

Pb

Figura 13.Variación de la cantidad total de metal adsorbida con respecto a la concentración

de equilibrio para el ion Pb. Sin control de pH

ADSORCIÓN DE Ni

Ci[ppm] Cf*[ppm] C Lemna mg Ni/ LSol L Sol mg Ni

Cant.ads,mg Pb/ g lemna g(Lemna)

10 7.69 2.31 0.1 0.231 1.138 0.2029

10 7.34 2.66 0.1 0.266 0.663 0.4012

10 7.2 2.8 0.1 0.28 0.465 0.602

10 7.11 2.89 0.1 0.289 0.360 0.8017

10 6.59 3.41 0.1 0.341 0.341 1.0011



0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10Concentración al equilibrio, C[F], mg/l

Cm

etal

ads

. / g

de

lem

na *1

0-1

Ni

Figura 14. Variación de la cantidad total de metal adsorbida con respecto a la concentración de equilibrio para el ion Ni. Sin control de pH

ADSORCIÓN DE Zn

Ci[ppm] Cf*[ppm] C Lemna mg Zn/ LSol L Sol mg Zn Cant.ads,mg Zn/ g lemna g(Lemna)

1.6 0.9 0.7 0.1 0.07 1.400 0.05

1.6 0.7 0.9 0.1 0.09 0.900 0.1

1.6 0.7 0.9 0.1 0.09 0.600 0.15

1.6 0.7 0.9 0.1 0.09 0.450 0.2

1.6 0.7 0.9 0.1 0.09 0.360 0.25



02468

10121416

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Concentración al equilibrio, C[F], mg/l

Cm

etal

ads

, / g

de

lem

na* 1

0-1

Zn

Figura 15. Variación de la cantidad total de metal adsorbida con respecto a la concentración de equilibrio para el ion Zn. Sin control de pH

Cabe señalar que en los experimentos anteriores no se midió el pH

de las soluciones antes ni después de la biosorción.

En el siguiente experimento de biosorción el parámetro que se

varió fue el de la concentración inicial de la solución, el cual se realizo

únicamente para el caso del plomo, dejando fija la cantidad de material

adsorbente (0.4g Lemna Gibba por 100 ml de solución). La Figura 16

muestra los datos de este experimento.

Ci[ppm] Cf[ppm] Cant.ads,

mg Pb/ glemna * 10-1 g[lemna] 0 0 5 1.31 9.225 0.40 11 2.31 21.725 0.40 16 4.23 29.425 0.40 20 4.63 38.425 0.40



05

1015202530354045

0 1 2 3 4 5

Concentración al equilibrio, C[F], mg/l

Cm

etal

ads

. / g

de

lem

na* 1

0-1

Pb

Figura 16. Variación de la cantidad total de metal adsorbida con respecto a la concentración

de equilibrio para el ion Pb. Sin control de pH

En el siguiente experimento de biosorción se mezclaron soluciones

de los cuatro metales (Pb, Ni, Zn, Fe). Las concentraciones de Pb, Ni y

Fe fueron a 10 ppm y de Zn fue a 1.6 ppm. La cantidad de adsorbente se

varió de 0.5g a 1.5g de Lemna Gibba por cada 100 ml. Los resultados de

este experimentos se pueden observer en las Figuras 17, 18, 19 y 20.

Tabla 11. Datos de concentración para una mezcla de soluciones patrón

CPb10ppm CNi10ppm CFe10ppm CZn1.6ppm Lemna(g)

2.24 2.82 3.28 0.9 0.5 De una muestra 2.62 2.83 3.75 1 1 que se dejo 24Hrs

3.65 3.04 4.46 1.1 1.5



Pb

Ci[ppm] Cf*[ppm] CPb[abs/g] g(Lemna) 10 2.24 15.52 0.50 10 2.62 7.38 1.00 10 3.65 4.23 1.50

0

2

4

6

810

12

14

16

18

0 1 2 3 4

Concentración al equilibrio C[F], ppm

Cm

etal

ads

. / g

de

lem

na

Pb

Figura 17. Variación de la cantidad total de Pb adsorbida con respecto a la concentración de

equilibrio. Sin control de pH

Ni

Ci[ppm] Cf*[ppm] CNi[abs/g] g(Lemna)

10 2.82 14.36 0.50

10 2.81 7.19 1.00

10 3.04 4.64 1.50



02468

10121416

0 1 2 3 4


Cm

etal

ads

. / g

de

lem

na

Ni

Figura 18. Variación de la cantidad total de Ni adsorbida con respecto a la concentración de


Fe Ci[ppm] Cf*[ppm] CFe[abs/g] g(Lemna)

10 3.28 13.44 0.50 10 3.75 6.25 1.00 10 4.46 3.69 1.50

Isoterma de Adsorción

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3 4 5


Cm

etal

ads

. / g

de

lem

na

Fe

Figura 19. Variación de la cantidad total de Fe adsorbida con respecto a la concentración de




Zn Ci[ppm] Cf*[ppm] CZn[abs/g] g(Lemna)

1.6 0.9 1.40 0.50 1.6 1 0.60 1.00 1.6 1.1 0.33 1.50

0.000.200.400.600.801.001.201.401.60

0 1


Cm

etal

ads

. / g

de

lem

na

2

Zn

Figura 20. Variación de la cantidad total de Zn adsorbida con respecto a la concentración de


Los resultados obtenidos en esta parte experimental no son

concluyentes debido a que la cantidad de metal adsorbida por la lemna

no varia con la cantidad de material adsorbente como se puede observar

en la Tabla 12. Sin embargo, tampoco se midió el pH de las soluciones

antes ni después de la biosorción en estos experimentos.

De una muestra que se dejó 24 hrs.

Tabla 12. Variación de la cantidad absoluta adsorbida con respecto a la variación de la

cantidad de material adsorbente (lemna gibba).

CPb

absolutas(ppm) CNi absolutas(ppm) CFe absolutas(ppm) CZn absolutas(ppm) Lemna(g) 7.76 7.18 6.72 0.70 0.50 7.38 7.19 6.25 0.60 1.00 6.35 6.96 5.54 0.50 1.50


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 10.4.2 Biosorción con Soluciones Modelo y pH

En esta serie de experimentos de biosorción el interés estaba

centrado en observar como dicha biosorción variaba con el pH. Dejando

fija la concentración de la solución y la cantidad de Lemna, los valores

de pH variaron desde 1 hasta 5. La concentración inicial fue de 10 ppm

para todos los metales y la cantidad de material adsorbente se fijó en

0.5g/100ml. Los resultados de este experimento se pueden ver en las

Figuras 21, 22 y 23.

Ci[ppm] Cf[ppm] C[abs/g] g[lemna] pHi pHf 10 7.85 4.3 0.5 1 1.25 10 2.89 14.22 0.5 2 2.85 10 1.98 16.04 0.5 3 5.32 10 2.65 14.7 0.5 4 5.71 10 2.2 15.6 0.5 5 5.94

0

3

6

9

12

15

18

0 1 2 3 4 5 6 7

pHf

Cm

etal

ads

. (pp

m) /

g d

e le

mna

Pb

Figura 21. Cantidad de metal adsorbido vs pH para el ion Pb. 0.5 gramos Lemna en 100 ml

de solución



Ci[ppm] Cf[ppm] C[abs/g] G[lemna] pHi pHf 10 9 2 0.5 1 1.42 10 8 4 0.5 2 2.36 10 5 10 0.5 3 4.93 10 6 8 0.5 4 5.29 10 5 10 0.5 5 5.84

02468

1012

0 1 2 3 4 5 6 7pHf

Cm

etal

ads

. (pp

m) /

g d

e le

mna

Zn

Figura 22. Cantidad de metal adsorbido vs pH para el ion Zn. 0.5 gramos Lemna en 100 ml

de solución

Ci[ppm] Cf[ppm] Cant.ads,

mg de metal/ glemna g[lemna] pHi pHf 10 9.51 0.98 0.5 1 1.13 10 8.75 2.5 0.5 2 2.49 10 7.35 5.3 0.5 3 4.72 10 7.21 5.58 0.5 4 6.05 10 7.32 5.36 0.5 5 6.07



0123456

0 2 4 6 8Cm

etal

ads

. (pp

m) /

g d

e le

mna

Ni

pHf

Figura 23. Cantidad de metal adsorbido vs pH para el ion Ni. 0.5 gramos Lemna en 100 ml de solución

Cabe aclarar que el pHf es el pH de la solución una vez que la biosorción

alcanza el equilibrio.

10.4.3 Isotermas de Adsorción y Desorción para Pb y Ni

Una vez encontrado el rango de pH al cual

conviene trabajar por las características de

adsorción elevada de la Lemna, se procedió a

realizar experimentación para determinar las

condiciones optimas de desorción de los iones

metalicos adsorbidos con anterioridad por la

biomasa, para esto se utilizaría una determinada

cantidad de solución de EDTA a una concentración

predeterminada (previamente elegido ya que es un

ácido que no degrada a la planta).



Una vez filtrada la biomasa, se mide la

concentración de iones metalicos de la solución

residual en el equipo de adsorción atómica, con

el cual se calcula la cantidad de iones adsorbida

en la biomasa. Posteriormente, para despojar los

iones metálicos de esta biomasa se dividió en

cinco partes iguales a las cuales se les agrego

diferentes volúmenes de soluciones de EDTA a 0.02

M, para determinar el volumen con el cual se

tendría la mayor concentración de iones

metálicos en la solución residual, la que sería

necesaria para la etapa de electrolisis. Se

determinó que se logra el mayor nivel de

concentración de iones metálicos con 10 ml de la

solución antes mencionada , para la recuperación

de los iones de Ni y Pb, puesto que con esta

cantidad de solución es posible recuperar el 60 %

de los iones de Pb y el 40% de los iones de Ni,

con una concentración con la que ya es posible

llevar a cabo una electrolisis(aproximadamente

200ppm).

Con estos datos se realizan graficas de

adsorción y desorción para los metales que intervienen en la operación de

biosorción.

Para níquel se obtuvieron los siguientes datos los cuales pueden

mostrar que tan viable es la adsorción y la desorción.



ADSORCIÓN DE Ni

Ci mg Ni/l Sol Cf en sol (mg Ni/ lSol) mg Ni en la totalidad

del adsorbente CAds*

g Ni/g Lemna 200 115 8.5 1.02E-02 100 59 4.1 4.94E-03 50 27.5 2.25 2.71E-03 20 12 0.8 9.64E-04

*Cantidad de iones metálicos adsorbidos por la biomasa

Isoterma de Adsorción para Ni

0.0E+00

2.1E-03

4.2E-03

6.3E-03

8.4E-03

1.1E-02

1.3E-02

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Cf* (ppm)

CA

ds g

Ni/g

Lem

na

Figura 24. Isoterma de adsorción de Ni . A un pH de 5.5 en 100 ml de solución con 0.83g de Lemna

DESORCIÓN DE Ni

Cf en sol (mg

Ni/ LEDTA) %

de recuperación mg Ni Residuo

C Des* g Ni/g Lemna 227 26.71% 6.23 7.51E-03

160.5 39.15% 2.495 3.01E-03 79.5 35.33% 1.455 1.75E-03 33 41.25% 0.47 5.66E-04

*Cantidad de iones metálicos desorbidos de la biomasa



Isoterma de Desorción para Ni

0.0E+00

1.0E-03

2.0E-03

3.0E-03

4.0E-03

5.0E-03

6.0E-03

7.0E-03

8.0E-03

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240

Cf* (ppm)

Cde

s g

Ni/g

Lem

na

Figura 25. Isoterma de desorción de Ni. Con 0.83g de Lemna en 10ml de EDTA

(a una concentración de 0.02 M)

Para plomo se obtuvieron los siguientes datos los cuales pueden

mostrar que tan viable es la adsorción y la desorción.

ADSORCIÓN DE Pb

Ci mg Pb/l Sol Cf en sol (mg Pb/ lSol) Mg Pb en la totalidad

del adsorbente CAds *

g Pb/g Lemna 177 99.4 7.76 9.35E-03 100 66.1 3.39 4.08E-03 37.7 13.8 2.39 2.88E-03 28.2 5.2 2.3 2.77E-03 *Cantidad de iones metálicos adsorbidos por la biomasa



Isoterma de Adsorción para Pb

0.00E+00

1.00E-03

2.00E-03

3.00E-03

4.00E-03

5.00E-03

6.00E-03

7.00E-03

8.00E-03

9.00E-03

1.00E-02

0 20 40 60 80 100 120

Concentración Final (PPm)

CA

ds g

Pb/g

Lem

na

Figura 26. Isoterma de adsorción de Pb. A un pH de 4.5 en 100 ml de solución con 0.83g de

Lemna

DESORCIÓN DE Pb

Cf en sol (mg Pb/ LEDTA) %

de recuperación

mg Pb en la totalidad

del adsorbente CDes*

g Pb/g Lemna

47.20 60.82% 3.04 6.91E-03

21.20 62.54% 1.27 2.89E-03

15.00 62.76% 0.89 2.02E-03

13.80 60.00% 0.92 2.09E-03 *Cantidad de iones metálicos desorbidos de la biomasa



Isoterma de Desorción para Pb

0.00E+00

1.00E-03

2.00E-03

3.00E-03

4.00E-03

5.00E-03

6.00E-03

7.00E-03

8.00E-03

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Concentración * (ppm)

Cde

s g

Pb/g

Lem

na

Figura 27. Isoterma de desorción de Pb

10.5 Electrolisis

Para el proceso de electrólisis es necesario tomar en cuenta que la cantidad recuperada por este medio es la necesaria para que la solución se encuentre dentro de lo que marcan las normas ecologías, es decir, que la solución residual tenga una concentración de 1.5 ppm en el caso del plomo y de 6ppm en el caso del níquel. Dicho de otra forma, si entra al proceso una solución con 100ppm se requiere una recuperación de por lo menos 95% para que mediante recirculaciones la concentración de la soluciones sea aproximadamente la concentración que marca la norma ecológica.

Sin embargo al momento de realizar las correspondientes pruebas de electrolisis se tuvieron los siguientes resultados:

i) En un primer experimento, se trabajo con un electrodo de

acero inoxidable, pero se observo que este tendía a disolverse (se empezaba a oxidarse) en una solución de EDTA de 0.02 M



ii) El electrodo elegido para llevar a cabo la electrólisis fue el de carbón vítreo puesto que este no se oxida en la solución de EDTA

iii) Al llevar a cabo la electrólisis, sin embargo, se observó que no se depositaba ninguno de los dos metales (plomo y níquel), antes de que se redujera el medio (solución acuosa de EDTA). Dado que termodinámicamente el plomo y el níquel se debe reducir a potenciales menos negativos que los impuestos, se concluye que el proceso no está limitado por la termodinámica si no por la cinética de la reacción, es decir, que se necesita mayor potencial para alcanzar la energía mínima para que la reacción se lleve a cabo (energía de activación). Lo anterior se resume en las graficas del Apéndice donde se puede observar que el medio produce el mismo comportamiento en el voltamperograma con o sin metal presente.

iv) Cabe mencionar que este proceso todavía se tiene que estudiar más a fondo para poder determinar el electrodo más conveniente y el potencial óptimo para llevar a cabo la electrodepositación, ó en su defecto, un agente reductor adecuado.

11. Diseño de equipo Se tiene un flujo de 67 litros/día ó 0.0465 Litros/Minuto, la

cantidad de plomo que se quiere recuperar en el presente proceso es de

100 mg/litro = 100 ppm.

Si la regeneración de la Lemna es diario (o sea cada 24 horas) se

tendría:

díagdePb

mgg

díalt

ltmg 7.6

1000167100 =



Si se considera que el 70% del lecho de Lemna está en equilibrio

con una concentración de 100 ppm y el 30 % restante con 50 ppm.

Entonces con los datos obtenidos del isoterma de adsorción del plomo

(Figura 26) se tiene:

glemnagPb

glemnagPb

glemnagPb 333 106.7)104.3)(30.0()104.9)(70.0( −−− ×=×+×

Este último valor es la carga promedio del lecho, por lo que la

cantidad de Lemna requerida es:

3

6.7 8827.6 10

g Pb g lemnag Pbg lemna

−=

×

Haciendo las mismas consideraciones de flujo y de equilibrio

utilizadas en el caso del plomo, es decir un flujo de 67 lt/día y 70% del

lecho de lemna en equilibrio con 100 ppm y el 30% restante en equilibrio

50 ppm, y utilizando los datos del isoterma de adsorción del níquel se

tiene:

glemnagNi

glemnagNi

glemnagNi 333 1042.7)102.4)(3.0()108.8)(70.0( −−− ×=×+×

Este último valor, al igual que en el caso del plomo, es la carga promedio

del lecho, por lo que la cantidad requerida de lemna es:

glemna

glemnagNi

gNi 9031042.7

7.63

=× −



La torre de adsorción que se propone es de lecho fluidizado y, debido a las características particulares del lecho a utilizar (la Lemna Gibba tiende a flotar), de lecho suspendido inverso. El flujo alimentado a la torre debe ser capaz de hacer fluir a la Lemna dentro del volumen en que se encuentra, es decir, que exista turbulencia suficiente en la torre de adsorción para que el adsorbente (Lemna gibba) circule a lo largo de la torre y no forme un tapón en la parte superior de la misma. Por esta misma razón, se eligió el diámetro de la torre, de 19 cm. Esta elección se hizo entre las diferentes medidas (diámetros) de tubos de plexiglás que existen en el mercado y tomando en cuenta las pruebas de fluidización que se hicieron en el laboratorio. Estas pruebas fueron el observar como fluía el lecho a diferentes diámetros de tubo.

Se estimó, mediante pruebas preliminares de laboratorio, que el flujo necesario para mantener el lecho fluidizado en la torre de adsorción debe ser de aproximadamente 15 litros por minuto.

En pruebas de laboratorio se estimó que para mantener fluidizados 10g de Lemna es necesario añadirle agua hasta alcanzar un volumen total, de Lemna y agua, de 550 ml.

A partir de estos datos se puede extrapolar para la cantidad de Lemna que es necesaria en la torre de adsorción (entre 800g y 900g aproximadamente) y el volumen requerido para cada metal es de aproximadamente 50 lt: Con estos últimos datos, y el diámetro del tubo a emplear, podemos calcular la altura de la torre: V = π r2 L , en donde V: volumen de la torre r: radio de la torre L: altura de la torre


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa (Para el caso del plomo) r = 9.5cm V =48.5 dm3 L = V/π r2 = 48.5 dm3 / π (9.5cm)2 L = 1.71 m (Para el caso del níquel) r = 9.5cm V =49.7 dm3 L= V/π r2 = 49.7 dm3 / π (9.5cm)2

L= 1.75 m 12. Descripción del Proceso El proceso consiste de las siguientes etapas:

Al tanque de almacenamiento se le agrega una solución amortiguadora para regular el pH de acuerdo a las especificaciones de tratamiento. A esta solución se le bombea hasta la torre de adsorción, donde al pasar por un aspersor a la entrada de la torre, y con la magnitud del flujo con que entra a ésta, se produce un efecto de turbulencia en la misma lo cual hace que se tenga un lecho suspendido inverso. Al salir de la torre puede llevarse para servicios o directamente al drenaje general.

Para llevar a cabo la recuperación de los metales es necesario utilizar EDTA a 0.02 M el cual se encuentra en un tanque de almacenamiento el cual puede ser bombeado por otra bomba hasta la torre de adsorción. Una vez que se han desorbido los iones metálicos del lecho de Lemna, la solución es enviada hasta el tanque de electrólisis para recuperar los metales.



En particular este procedimiento está diseñado para la recuperación de Níquel y Plomo, con posibles aplicaciones para la recuperación de otros metales.

Figura28. Diagrama del proceso para la biosorción de Ni y Pb con la biomasa



Figura 29.Diagrama del proceso para la recuperación (desorción) de Ni y Pb con la biomasa

13. Análisis Económico

Para realizar el análisis económico del presente proyecto se

requieren los siguientes equipos y materiales y considerar los siguientes

costos: Equipo Costo Cantidad Precio total

Bomba de 17.5 Lts/Min

$ 2,625.00 2

Electrodo de Carbón-vítreo u otro material

$ 13,500.00 1

EDTA $ 165.00 Tanques, accesorios

y torres $ 910.00

Total $ 19,825.00

Dentro de los costos de operación van incluidas los costos de

electricidad ocupados por los equipos de electrolisis y las bombas.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa 14. Conclusiones

El proceso de recuperación de metales de soluciones acuosas, en

particular el plomo y el níquel, mediante biomasa (Lemna Gibba) ha

resultado ser un proceso relativamente simple, desde el punto de vista

técnico, y costeable comparado con el costo del procedimiento que

actualmente emplean las empresas que requieren deshacerse de aguas

residuales que contienen iones metálicos. A esta conclusión se llegó por

las siguientes razones:

i) El adsorbente empleado (Lemna Gibba) es sencillo de manejar y

no requiere de inmovilización como sucede con otro

adsorbentes biológicos empleados para el mismo fin (algas y

desechos de sorgo).

ii) El adsorbente empleado es más sencillo de manejar, y el equipo

empleado es de menor volumen, que si se empleara la planta

viva (Lemna Gibba) ya que en este caso se necesitan estanques

para el tratamiento.

iii) Los tiempos de saturación son relativamente cortos (alrededor

de 30 minutos)

iv) El equipo empleado no es mucho ni voluminoso (las bombas

propuestas son pequeñas tanto en tamaño como en potencia, la

torre de adsorción no alcanza los dos metros de altura, los

tanque de almacenamiento no son grandes, etc.)

v) La capacidad de adsorción de la Lemna Gibba es mayor o igual

a otros adsorbentes biológicos utilizados para el mismo fin

,algas y desecho de sorgo (se compararon los datos obtenidos



con los datos de los artículos en donde se tratan el tema de

biosorción con algas y desechos de sorgo)

vi) La desorción con EDTA dio buen resultado debido a que

variando la cantidad del mismo se puede lograr soluciones

concentradas necesarias para el proceso de electrólisis.

vii) Con EDTA se daña menos a la Lemna Gibba que si se emplea

otro tipo de ácido (como HNO3 o HCL, este empleado en los

trabajos realizados con desecho de sorgo), Lo anterior permite

reutilizarla.

viii) El costo de la Lemna Gibba es relativamente bajo puesto que

solo se tiene que considerar el costo de recolección y transporte

ix) El costo del equipo no es alto debido a que son equipos

pequeños, por ejemplo la potencia de la bomba es menor a

medio caballo de fuerza.

x) Como se pretende que el EDTA se reutilice, esto implica que

los costos sean bajos.

xi) El costo global del proceso es menor al costo anual que se

cobrar a las empresas por confinar sus aguas residuales

$19,825.00 del proceso propuesto contra $55,000.00 del costo

anual por confinamiento), incluyendo incluso una estimación

del costo de la electrolisis

Finalmente cabe mencionar que este proyecto no debe considerarse

concluido, puesto que todavía falta abundar no solo en la electrólisis sino

también en trabajar en la biosorción con otros metales, como cromo,

plata, oro entre otros que pudieran tener no solo un interés en cuanto a


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa cumplir las normas ecológicas sino también un interés comercial,

principalmente en cuanto a metales preciosos. Otro rubro en el que se

podría trabajar es en el diseño de la torre de adsorción en particular

mejorar la fluidización del lecho. Por ejemplo podría probarse el

introducir en el flujo de alimentación a la torre aire que contribuya a

crear la turbulencia necesaria dentro de la torre.

Por el momento y de acuerdo con los experimentos de electrolisis

(es decir, los metales no se recuperan a las condiciones de el

experimento), la lemna junto con los metales adsorbidos será confinada.

La ventaja que se ofrece es que la lemna ocupa menos volumen que las

aguas que se confinaban al principio del proceso de las industrias

metalmecánica (las empresas pagan por volumen de desechos), además

de que es menor el peso de ésta (lemna ) que las del agua.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa REFERENCIAS

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de acabados metálicos, Julio 1992. 2. Salvat editors, Como Funciona, 1980, Desalinización del Agua. 3. Cuautle, N., Ravelo, J. y Lopéz, F.; “Recuperación de Cromo de las

Aguas Residuales de la Industria de Acabados Metálicos”, Proyecto Terminal en Ingeniería Química, UAM-Iztapalapa, 2002.

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Diario Oficial de la Federación el 3 de Junio de 1998). 6. www.centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/departamentos/DfyQ/energ

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L. 1989, “Analisis quimico de metales pesados (Hg, Pb, Cd, As, Cr, Sr)”, Anales Inst. Biol. Univ. Nac. Autón. México, 1989.

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10. Kuyucak, N. y Volesky, B., (1989), “Accumulation of Gold by Algal Biosorbent”, Biorecovery, 1, 189-204.

11. Anders, B.N.y Perrson,H., (1984), Acumulation of Heavy-Metal Ions by zoogloea ramigera. Biotech. And Bioeng., 26, 239-246.

12. Reynita, L., Veroy, M., Luisa, B., Laserna, E.C Y Cajibe, G.B. (1980) , Studies on the binding of heavy metals to algal polisaccharides from Phillippine seaweed. Botanica marina,23 , 59-62.

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14. Kuyucak, N. y Volesky, B., (1989), The Mechanism of Gold Biosorption. Biorecovery, 1, 219-235.

15. Sienko Michell J., Plane Rober A., «Química « Edt. Aguilar 1964-1979, pp. 368,369.

16. Atkins 1989 17. www.tenoch.pquim.unam.mx/academico/fs/ad/isoad.htm 18. Contreras-Bustos, R., “Producción de bióxido de manganeso

ozonización y estudio de sus propiedades de intercambio iónico”, Tesis doctoral, Noviembre de 1999, UAM-Iztapalapa.-


http://www1.ceit.es/Asignaturas/Ecologia/Hipertexto/11CAgu/180Depur.htm

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http://www.tenoch.pquim.unam.mx/academico/fs/ad/isoad.htm


APENDICES APENDICE A - Aspectos generales

PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS Y TOXICOLOGICAS DEL

PLOMO

Propiedades Físicas

El plomo es un metal denso (pesado), blando, maleable, dúctil de

color grisáceo, muy brillante cuando es cortado, pero que se oxida con

mucha rapidez volviéndose de color gris mate, siendo también opaco a

los rayos X. Funde a 327°C, generando vapores de alta toxicidad. En la

naturaleza se encuentra en forma abundante en forma de galena (sulfuro

de plomo).

Propiedades Químicas

El plomo es un elemento químico del grupo IV de la tabla

periódica, su número atómico es 82 y su masa atómica es 207.19.

Prácticamente, todos los compuestos corrientes de plomo

corresponden al estado de oxidación 2+, llamado plumboso. Cuando

aumenta la concentración del anión halogenuro en las soluciones de

plomo 2+. Se forma el correspondiente halogenuro de plomo 2+

insoluble. En exceso de halogenuro, el precipitado se redisuelve, quizá


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa por formarse iones complejos de los tipos PbCl3

- y PbBr42-. A diferencia

de otros dos cloruros insolubles comunes, AgCl y Hg2Cl2. el PbCl2 se

disuelve calentando su solución saturada. El PbCl2 se separa de los otros

precipitados por lavado con agua caliente. Se confirma la presencia de

plomo tratando la solución obtenida con dicromato de potasio y ácido

acético, con lo que se logra un precipitado amarillo de cromato de plomo.

Cuando al catión Pb2+ se le añade una base, se precipita Pb(OH)2

de color blanco. Por ser anfótero, se disuelve en un exceso de base,

originando el trihidroxoplumbato(II), Pb(OH)3- , que es estable en

solución.

Como la mayor parte de los aniones divalentes, el catión Pb2+

forma sales insolubles: sulfato (PbSO4), carbonato (PbCO3), sulfuro

(PbS); cromato (PbCrO4) e hidrogenofosfato (PbHPO4), entre otras. El

sulfuro es la más insoluble de todas estas sales, por lo que, en presencia

del sulfuro, S2-, las restantes reaccionan dando dicho sulfuro.

El principal compuesto de plomo 4+ es el dióxido, PBO2, y se

obtiene oxidando el Pb(OH)3- con hipoclorito en solución básica. En

soluciones ácidas, el dióxido de plomo es un poderoso oxidante y se

torna todavía más potente en presencia de ácido concentrado y de

aniones capaces de precipitar el catión Pb2+. En soluciones básicas muy

concentradas, el PbO2 se disuelve formando plumbatos, como PbO44-,

PbO32- , Pb(OH)6

2-.15


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa Propiedades Toxicologícas

El plomo y sus compuestos son tóxicos para los seres vivos,

produciendo en el hombre la grave enfermedad llamada saturnismo. Es

un contaminante importante y tiende a acumularse en los seres vivos.

El plomo es absorbido por inhalación, ingestión y a través de la

piel. La vía de ingreso, el tamaño de la partícula y el tipo de compuesto

de plomo (orgánico o inorgánico), determinan la concentración y la

posibilidad de difusión del plomo hacia el organismo, tales como edad, el

estado fisiológico y la integridad de los tejidos. También es importante

considerar factores nutricionales y metabólicos.

La concentración permisible máxima en el aire es 0.2 mg/m3. . Se

estima que la absorción total diaria de plomo en la población no

ocupacional expuesta varía de 150 a 300 µg, siendo un bajo porcentaje

de esto por el aire inhalado y el restante por alimentos.

Diversos estudios han reconocido los efectos nocivos de la

contaminación plúmbica en la salud humana. Los síntomas de toxicidad

por plomo son: diversos grados de anemia, cuando se alcanzan niveles de

plomo en sangre alrededor de 50 µg/dl, fatiga, anorexia, palidez, astenia,

irritabilidad, alteraciones del sueño, cambios bruscos de conducta y

retardo mental. Síntomas más serios son torpeza motora, ataxia, dolor


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa abdominal, vómitos, constipación y alteraciones de conciencia debido a

encefalopatía.

La exposición crónica a niveles altos de plomo en sangre, se asocia

a alteraciones neurofisiológicas, electroencefalográficas, defectos en la

audición y disminución en la velocidad de conducción nerviosa.

Cuando los niveles sobrepasan los 70 µg/dl, la intoxicación puede

provocar coma cerebral y muerte8.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa APENDICE B - Métodos para fijar la biomasa con el objeto de proporcionarle estabilidad y propiedades mecánicas satisfactorias Injertar la biomasa en polímeros sintéticos, como el poliestireno.

Atraparla en materiales inorgánicos u orgánicos como silica gel o resinas sintéticas, respectivamente. Ligamento a un acarreador adecuado. Entrecruzamiento, como un caso especial de ligamiento. Diferentes métodos de entrecruzamiento pueden ser aplicados usando: Aldehídos o sus mezclas con urea, melanina, amidas, etc. Formación de ésteres polisacáridos con ácido dicarboxilico u otros ácidos orgánicos. Ketonas vinílicas, divinil sulfona, cromatos, etc. Epóxidos o bisepóxidos, diclorohidroxinas, etc. Reacciones de polisacárido modificado con diaminas, alcanodioles, etc.

Al observar las isotermas de biosorción se encuentra que los

mejores resultados se han obtenido, para el caso de la inmovilización de

Aschophyllum nodosum, con el entrecruzamiento usando divinil sulfona

y formaldehído bajo condiciones ácidas, mientras que la isoterma de

biosorción obtenida usando silica gel resulta ser muy inferior a las otras9.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa APENDICE C - Tipos de Tratamiento de Aguas Residuales.

Hay distintos tipos de tratamiento de las aguas residuales para

lograr retirar contaminantes. Se pueden usar desde sencillos procesos

físicos como la sedimentación, en la que se deja que los contaminantes se

depositen en el fondo por gravedad, hasta complicados procesos

químicos, biológicos o térmicos. Entre ellos, los más usuales son:

a) Físicos

• Sedimentación.

• Flotación.- Natural o provocada con aire.

• Filtración.- Con arena, carbón, cerámicas, etc.

• Evaporación. •Adsorción.- Con carbón activo, zeolitas, etc.

• Desorción (Stripping). Se transfiere el contaminante al aire (ej.

amoniaco).

• Extracción.- Con líquido disolvente que no se mezcla con el agua.

b) Químicos

• Coagulación-floculación.- Agregación de pequeñas partículas

usando coagulantes y floculantes (sales de hierro, aluminio,

polielectrolitos, etc.)



• Precipitación química.- Eliminación de metales pesados

haciéndolos insolubles con la adición de lechada de cal, hidróxido

sódico u otros que suben el pH.

• Oxidación-reducción.- Con oxidantes como el peróxido de

hidrógeno, ozono, cloro, permanganato potásico o reductores como

el sulfito sódico.

• Reducción electrolítica.- Provocando la deposición en el electrodo

del contaminante. Se usa para recuperar elementos valiosos.

• Intercambio iónico.- Con resinas que intercambian iones. Se usa

para quitar dureza al agua.

• Osmosis inversa.- Haciendo pasar al agua a través de membranas

semipermeables que retienen los contaminantes disueltos.

c) Biológicos.

Usan microorganismos que se nutren con diversos compuestos de

los que contaminan las aguas. Los flóculos que se forman por agregación

de microorganismos son separados en forma de lodos.

• Lodos activos.- Se añade agua con microorganismos a las aguas

residuales en condiciones aerobias (burbujeo de aire o agitación de

las aguas).



• Filtros bacterianos.- Los microorganismos están fijos en un soporte

sobre el que fluyen las aguas a depurar. Se introduce oxígeno

suficiente para asegurar que el proceso es aerobio.

• Biodiscos.- Intermedio entre los dos anteriores. Grandes discos

dentro de una mezcla de agua residual con microorganismos

facilitan la fijación y el trabajo de los microorganismos.

• Lagunas aireadas.- Se realiza el proceso biológico en lagunas de

grandes extensiones.

• Degradación anaerobia.- Procesos con microorganismos que no

necesitan oxígeno para su metabolismo.

Niveles de Tratamiento

Las aguas residuales se pueden someter a diferentes niveles de

tratamiento, dependiendo del grado de purificación que se quiera. Es

tradicional hablar de tratamiento primario, secundario, etc, aunque

muchas veces la separación entre ellos no es totalmente clara. Así se

pueden distinguir:

a) Pre-Tratamiento.

Es un proceso en el que usando rejillas y cribas se separan restos

voluminosos como palos, telas, plásticos, etc.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa b) Tratamiento Primario.

Hace sedimentar los materiales suspendidos usando tratamientos

físicos o fisico-químicos. En algunos casos dejando, simplemente, las

aguas residuales un tiempo en grandes tanques o, en el caso de los

tratamientos primarios mejorados, añadiendo al agua contenida en estos

grandes tanques, sustancias químicas quelantes que hacen más rápida y

eficaz la sedimentación. También se incluyen en estos tratamientos la

neutralización del pH y la eliminación de contaminantes volátiles como

el amoniaco (desorción). Las operaciones que incluye son el desaceitado

y desengrase, la sedimentación primaria, la filtración, neutralización y la

desorción.

c) Tratamiento Secundario.

Elimina las partículas coloidales y similares. Puede incluir

procesos biológicos y químicos. El proceso secundario más habitual es

un proceso biológico en el que se facilita que bacterias aerobias digieran

la materia orgánica que llevan las aguas. Este proceso se suele hacer

llevando el efluente que sale del tratamiento primario a tanques en los

que se mezcla con agua cargada de lodos activos (microorganismos).

Estos tanques tienen sistemas de burbujeo o agitación que garantizan

condiciones aerobias para el crecimiento de los microorganismos.

Posteriormente se conduce este líquido a tanques cilíndricos, con sección

en forma de tronco de cono, en los que se realiza la decantación de los


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa lodos. Separados los lodos, el agua que sale contiene muchas menos

impurezas.

d) Tratamientos más Avanzados.

Consisten en procesos físicos y químicos especiales con los que se

consigue limpiar las aguas de contaminantes concretos: fósforo,

nitrógeno, minerales, metales pesados, virus, compuestos orgánicos, etc.

Es un tipo de tratamiento más caro que los anteriores y se usa en casos

más especiales: para purificar desechos de algunas industrias,

especialmente en los países más desarrollados, o en las zonas con escasez

de agua que necesitan purificarla para volverla a usar como potable, en

las zonas declaradas sensibles (con peligro de eutrofización) en las que

los vertidos deben ser bajos en nitrógeno y fósforo, etc3.


Recuperación de Metales Pesados de Aguas Residuales por Biomasa APENDICE D – Electrólisis

En este apéndice se muestran las graficas que se obtuvieron en la

electrólisis realizada en soluciones de EDTA, de EDTA con iones de

plomo y de EDTA con iones de níquel y de EDTA solo. En las cuales se

pueden observar los resultados antes mencionados



GRAFICO DE ELECTROLISIS DE Pb

-0.000025

-0.00002

-0.000015

-0.00001

-0.000005

0

0.000005

0.00001

-1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

200red

300red

400red

500red

600red

700red

800red

900red

1000red

1200red

EDTA

En este grafico se muestra la comparación entre la solución de

EDTA solo y la solución de EDTA con plomo, se observa que no se

deposita el plomo. Realmente lo que sucede es que se reduce el medio es

decir la solución acuosa de EDTA. (la línea negra es el EDTA y las otras

líneas son de la solución de EDTA con iones de plomo)



GRAFICO DE ELECTROLISIS DE Ni

-0.000025

-0.00002

-0.000015

-0.00001

-0.000005

0

0.000005

0.00001

-1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

200red

300red

400red

500red

600red

700red

800red

900red

1000red

EDTA

Este gráfico representa la comparación de la solución de EDTA

solo (línea color vino) y la solución de EDTA con níquel (las demás

líneas) , se observa lo mismo que en la solución anterior que se reduce el

medio y que no hay depositación de níquel.

De acuerdo con estos resultados se concluye que se deben realizar

más experimentos para encontrar el material de electrodo adecuado.


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Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa148.206.53.84/tesiuami/UAMI10933.pdf · Es importante considerar que la toxicidad de los metales pesados (en especial el plomo), hace