universidad de guayaquilrepositorio.ug.edu.ec/bitstream/redug/8641/1/uso de... · 2018-03-21 ·...
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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE ARQUITECTURA Y URBANISMO
MAESTRÍA EN IMPACTOS AMBIENTALES
TESIS DE GRADO
TEMA
USO DE LA CÁSCARA DE BANANO (Musa paradisiaca) MADURO DESHIDRATADA (SECA) COMO PROCESO DE
BIOADSORCIÓN PARA LA RETENCIÓN DE METALES PESADOS, PLOMO Y CROMO EN AGUAS CONTAMINADAS.
AUTOR
Dr. Bismark Castro Pastor
TUTOR
Dr. Hugo Romero Bonilla. Mg. Sc.
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
MAGISTER EN IMPACTOS AMBIENTALES
GUAYAQUIL GUAYAS ECUADOR
2015
II
III
CERTIFICADO DEL TUTOR
En mi calidad de tutor del trabajo de investigación de tesis para optar el título
de magíster en ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL de la facultad de
Arquitectura y Urbanismo de la Universidad de Guayaquil.
Certifico que: he dirigido y revisado la tesis de grado presentada por el Sr.
Doctor Bismark Castro P con C.I 0701493595, cuyo tema de tesis es “USO
DE LA CÁSCARA DE BANANO (Musa paradisiaca) MADURO
DESHIDRATADA (SECA) COMO PROCESO DE BIOADSORCIÓN PARA LA
RETENCIÓN DE METALES PESADOS, PLOMO Y CROMO EN AGUAS
CONTAMINADAS”.
Revisada y corregida la tesis, se la aprobó en su totalidad; lo certifico:
Dr. Hugo Ítalo Romero Bonilla, Mg. Sc.
TUTOR DE TESIS
IV
RESPONSABILIDAD
Las conclusiones que aparecen en el presente trabajo de investigación
corresponden única y exclusivamente al autor y sus derechos a la
Universidad de Guayaquil.
Doctor en Química Industrial. Bismark Castro Pastor.
C.I 0701493595
V
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a la Empresa CONFOCO S.A., a su Gerente Eco. Francisco
Larrea García y todos los compañeros de trabajo e investigadores quienes
hicieron posible la culminación del presente trabajo de investigación, y
especial al Dr. Hugo Romero Bonilla. Mg. Sc, director de tesis, por brindar
sus conocimientos, experiencia y compresión, motivándome a alcanzar la
meta propuesta.
VI
DEDICATORIA
A Dios por haberme permitido la culminación de mi maestría con éxito.
Con todo cariño a la memoria de mi Padre (+), mi Madre, mi Esposa, mis
hijos, los cuales fueron mi principal motivación, apoyo incondicional, para la
culminación una de mis mayores anhelos trazados durante mi vida
estudiantil.
VII
ÍNDICE GENERAL
CERTIFICADO DEL TUTOR ......................................................................... III
RESPONSABILIDAD ..................................................................................... IV
AGRADECIMIENTOS ..................................................................................... V
DEDICATORIA .............................................................................................. VI
RESUMEN EJECUTIVO ............................................................................. XVI
1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 1
1.1. ANTECEDENTES .............................................................................. 1
1.2. CARACTERIZACIÓN DEL PROBLEMA ............................................ 3
1.3. OBJETIVOS. ...................................................................................... 5
1.4. JUSTIFICACIÓN ................................................................................ 6
1.5. HIPÓTESIS ........................................................................................ 7
1.5.1. Hipótesis alternativa .................................................................... 7
1.5.2. Hipótesis nula .............................................................................. 7
2. MARCO TEÓRICO ................................................................................... 8
2.1. ESTADO DEL ARTE.......................................................................... 8
2.2. LA HARINA DE CÁSCARA DE BANANO COMO BIOADSORBENTE
DE LOS METALES PESADOS ................................................................... 8
2.2.1. Proceso de retención de metales pesados utilizando harina de
cáscara de banano como material bioadsorbente .................................... 9
2.2.1.1. Descripción del proceso ............................................................ 11
2.3. METALES PESADOS ...................................................................... 12
VIII
2.3.1. Importancia del análisis de los metales pesados ...................... 15
2.3.2. Cuantificación de metales pesados mediante espectrometría de
absorción atómica ................................................................................... 16
2.3.3. Fuentes principales de emisión y generación de metales
pesados. ................................................................................................. 18
2.3.4. Efectos de los metales pesados a la salud y al ambiente ......... 20
2.3.4.1. Plomo ........................................................................................ 20
2.3.4.2. Efectos del plomo sobre la salud............................................... 24
2.3.4.3. Efectos ambientales del plomo ................................................. 25
2.4. LOS METALES PESADOS EN LAS AGUAS RESIDUALES ........... 32
2.4.5. Retención y eliminación de metales pesados en las aguas
contaminadas. ......................................................................................... 33
2.5. TIPOS DE AGUAS RESIDUALES ................................................... 35
2.5.1. Aguas residuales domésticas .................................................... 36
2.5.2. Aguas residuales industriales .................................................... 36
2.5.3. Aguas residuales urbanas ......................................................... 37
2.6. FUENTES DE GENERACIÓN DE AGUAS RESIDUALES .............. 37
2.6.1. Tratamientos no convencionales de tratamiento de aguas
residuales................................................................................................ 41
2.7. TRATAMIENTO DE LODOS ............................................................ 45
2.8. MÉTODOS DE ELIMINACIÓN DE METALES PESADOS EN LAS
AGUAS CONTAMINADAS......................................................................... 47
2.8.1. Operaciones físicas .................................................................. 47
2.8.2. Procesos químicos .................................................................... 48
IX
2.8.3. Procesos biológicos .................................................................. 48
2.9. PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE
ADSORCIÓN ............................................................................................. 50
2.10. RESIDUOS AGROINDUSTRIALES USADOS PARA LA REMOCIÓN
DEL PLOMO Y CROMO ............................................................................ 52
2.10.1. Generalidades de la cáscara de banano ................................... 52
3. MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................ 55
3.5. UBICACIÓN DEL ENSAYO .......................................................... 55
3.6. DISEÑO EXPERIMENTAL .............................................................. 56
3.6.1. Tipo de Investigación ................................................................ 56
3.6.2. Diseño del Experimento ............................................................ 56
3.7. VARIABLES ..................................................................................... 58
3.7.1. Variables Dependientes ............................................................ 58
3.7.2. Variables Independientes .......................................................... 58
3.8. CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE LA HARINA DE
CÁSCARA DE BANANO ........................................................................... 59
3.8.1. Preparación del bioadsorbente de la cáscara de banano. ........ 59
3.8.1.1. Obtención de la cáscara de banano .......................................... 59
3.8.1.2. Preparación de la cáscara de banano ....................................... 59
3.8.2. Caracterización de la cáscara de banano maduro ....................... 60
3.9. EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ADSORCIÓN DE LA
CÁSCARA DE BANANO PARA LA REMOCIÓN DEL PLOMO Y CROMO
(VI)…. ........................................................................................................ 61
3.7.1. Preparación del agua residual sintética ........................................ 61
X
3.7.2. Ensayos de bioadsorción.............................................................. 62
3.8. PARÁMETROS ................................................................................ 63
3.8.1. Relación (g/L) ............................................................................... 63
3.8.2. Tamaño de partícula ..................................................................... 63
3.9. MÉTODOS DE ANÁLISIS UTILIZADOS PARA LA
DETERMINACIÓN DE PLOMO Y CROMO (VI) ........................................ 64
3.9.1. Digestión ácida .......................................................................... 64
3.10. MATERIALES Y EQUIPOS ............................................................. 64
3.10.1. Equipos ..................................................................................... 64
3.10.2. Materiales .................................................................................. 65
3.10.3. Reactivos .................................................................................. 66
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................... 67
4.7. CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA (HARINA DE
CÁSCARA DE BANANO) .......................................................................... 67
4.8. DETERMINACIÓN DE GRUPOS LOS FUNCIONALES PRESENTES
EN LA HARINA DE CÁSCARA DE BANANO MADURO, MEDIANTE
ESPECTROFOTOMETRÍA DE INFRARROJO .......................................... 68
4.9. COMPORTAMIENTO DEL OXÍGENO DISUELTO DURANTE EL
TIEMPO DE BIOADSORCIÓN DEL PLOMO Y CROMO .......................... 70
4.10. COMPORTAMIENTO DEL pH DURANTE EL TIEMPO DE
BIOADSORCIÓN DEL PLOMO Y CROMO ............................................... 71
4.11. PORCENTAJE DE BIOADSORCIÓN DE PLOMO .......................... 72
4.11.1. Análisis estadístico de la bioadsorción de plomo ...................... 74
4.12. PORCENTAJE DE BIOADSORCIÓN DE CROMO ......................... 77
XI
4.12.1. Análisis estadístico de la bioadsorción de cromo ...................... 78
4.9. CONTRASTE DE HIPÓTESIS ......................................................... 80
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................... 82
5.1. CONCLUSIONES ............................................................................... 82
5.2. RECOMENDACIONES ....................................................................... 85
6. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................... 87
ANEXOS ....................................................................................................... 93
XII
LISTA DE FIGURAS
Págs.
Figura 2.1. Proceso de retención de metales pesados 10
Figura 2.2. Procesos que contribuyen a la captación microbiana y
destoxificación de metales. 35
Figura 2. 3. Fórmula química de la celulosa 51
Figura 2.4. Fórmula química de la hemicelulosa 52
Figura 2 .5. Fórmula química de la pectina 53
Figura 3.6. Ubicación de la parroquia La Peaña. 65
Figura 4.7. Análisis elemental de la harina de cáscara de banano
maduro. 67
Figura 4.8. Espectrofotometría de infrarrojo de la cáscara de
banano maduro usada para el proceso de adsorción de plomo y
cromo. 69
Figura 4.9. Comportamiento del oxígeno disuelto de los 9
tratamientos durante el tiempo de bioadsorción 70
Figura 4.10. Comportamiento del pH de los 9 tratamientos durante
el tiempo de bioadsorción. 71
Figura 4.11: Bioadsorción de plomo por la harina de cáscara de
banano maduro. 73
Figura 4.12: Bioadsorción de cromo por la harina de cáscara de
banano 75
XIII
LISTA DE TABLAS
Págs.
Tabla 2. 1. Concentraciones de Pb en varias matrices medio
ambientales. 27
Tabla 2.2. Concentraciones de Cr en varias matrices
medioambientales 31
Tabla 2.3. Característica química de la cáscara de banano 50
Tabla 3.4. Diseño experimental de la bioadsorción de cromo y
plomo mediante cáscara de banano maduro en polvo. 55
Tabla 3.5. Variables dependientes del proceso 56
Tabla 3.6. Variables independientes del proceso 59
Tabla 3.7. Determinación de elementos y compuestos orgánicos en
la cáscara de banano maduro. 74
LISTA DE ANEXOS
Págs.
Anexo 1: Diagrama de flujo de la elaboración de harina de cáscara
de banano maduro 92
Anexo 2: Molino FITZ MILL utilizado para la obtención de la harina
de cáscara de banano maduro. 93
Anexo 3: Cáscaras de banano maduro que genera el proceso de
deshidratado. 93
XIV
Anexo 4: Harina de cáscara de banano maduro en tres tamaños de
partícula (250, 400, 841 µm) 94
Anexo5: Pesado de la harina de cáscara de banano 94
Anexo 6: Adición de la solución patrón de plomo y cromo (50 ppm) 95
Anexo 7: Llenado de los reactores experimentales con agua
destilada 95
Anexo 8: Monitoreo del proceso de bioadsorción (medición de pH) 96
Anexo 9: Experimento completo (9 tratamientos x triplicado) 96
Anexo 10: Filtración de las muestras luego de las 48 horas de
bioadsorción 97
Anexo 11: Muestras listas para el análisis (Espectrofotometría de
absorción atómica) 97
Anexo 12: Espectrofotómetro de absorción atómica 98
Anexo 13: Resultado de análisis de las muestras (plomo y cromo) 99
Anexo 14: Resultado de análisis de las muestras (plomo y cromo) 100
Anexo 15: Resultado de análisis de las muestras (plomo y cromo) 101
Anexo 16: Resultado de análisis de las muestras (plomo y cromo) 102
Anexo 17: Resultado de análisis de las muestras (grupos
funcionales) 103
Anexo 18: Resultado de análisis de las muestras (grupos
funcionales) 104
Anexo 19: Resultado de análisis de las muestras (grupos 105
XV
funcionales)
Anexo 20: Resultado de análisis de las muestras (carbono,
nitrógeno e hidrógeno) 106
Anexo 21: Resultado de análisis de las muestras (carbono,
nitrógeno e hidrogeno) 107
Anexo 22: Resultado de análisis de las muestras (actividad de
agua) 109
XVI
RESUMEN EJECUTIVO
En esta investigación se evaluó la capacidad de bioabsorción de Pb (II) y Cr
(VI) por la cáscara de banano maduro que desecha la empresa ecuatoriana
CONFOCO S.A. durante la deshidratación. El objetivo general fue evaluar la
capacidad de bioadsorción de la harina de la cáscara de banano maduro
(HCBM) para la eliminación de metales pesados y el porcentaje de remoción
de dichos metales. Se variaron dos parámetros: el tamaño de partícula de la
cáscara de banano (845 µm, 400 µm y 250 µm) y la cantidad del polvo de
cáscara de banano (10, 15 y 20 g/L). El estudio consistió en preparar
soluciones con diferentes concentraciones de harina de cáscara de banano
con tres diferentes tamaños de partícula, adicionando otras soluciones de 50
ppm de plomo (II) y 50 ppm de Cr (VI). Durante el proceso de bioabsorción
se midió el pH cada 8 horas. El proceso de se lo llevó a cabo en reactores
tipo “Batch”, y de esta manera determinar los factores que influyen en la
bioadsorción de los metales en estudio. Los resultados muestran un
porcentaje máximo de bioadsorción de 80 % ± 1,75 para el plomo (II) y 51,2
%± 5,48 para el cromo (VI). El tiempo de retención hidráulica para los dos
metales en estudio fue de 48 horas. El análisis estadístico indica que existe
una diferencia significativa (p˂0,05) en la bioadsorción de Pb (II) con
diferentes concentraciones de cáscara de banano, a mayor concentración de
cáscara, mayor % de bioadsorción de Pb (II); el pH ligeramente ácido (6,9 y
5,4), favoreció a la bioadsorción, debido a que el grado de protonación de la
superficie de la cáscara aumenta y, en consecuencia, también aumenta la
bioadsorción de los metales pesados (Selvi, 2001).
Palabras clave: Bioadsorción, Polvo de Cáscara banano, Remoción, Plomo, Cromo.
XVII
EXECUTIVE SUMMARY
In this research, the ability to biosorption of Pb (II) and Cr (VI) by the biomass
of mature banana peel Scrapping Confoco SA Ecuadorian company
evaluated during dehydration. The overall objective was to evaluate the ability
of biosorption flour ripe banana peel (HCBM) for the removal of heavy metals
and removal percentage of these metals. The particle size of the banana peel
powder (845 µm, 400 µm. and 250 µm) and the amount of biomass absorbent
(10, 15 and 20 g / L): Two parameters were varied. The study was to prepare
solutions with different concentrations of banana peel flour with three different
particle sizes, adding other solutions of 50 ppm of lead (II) and 50 ppm of Cr
(VI). During bioabsorption pH was measured every 8 hours. The process took
him out in kind "Batch" reactors, and thus determine the factors that influence
the biosorption of metals under study. The results show a maximum rate of
80% bioadsorción ± 1.75 for lead (II) and 51.2% ± 5.48 for chromium (VI).
The hydraulic retention time for the two metals in the study was 48 hours.
Statistical analysis indicates a significant difference (p<0,05) in the
biosorption of Pb (II) with different concentrations of biomass, biomass
concentration increased to greater% biosorption of Pb (II); the slightly acid pH
(6.9 and 5.4), biosorption favored, because the degree of protonation of the
surface of the biomass increases and therefore also increases the biosorption
of heavy metals (Selvi, 2001).
Keywords: Biosorption, banana peel powder, Biomass, Banana peel,
Removal, Lead, Chromium.
1
1. INTRODUCCIÓN
1.1. ANTECEDENTES
El agua líquido vital renovable e indispensable para la vida de plantas,
animales y seres humanos. Sin embargo, se está contaminando por las
actividades antropogénicas y de esta manera se vuelve no útil para muchos
de sus usos e, incluso, se ha convertido en un vehículo de contaminación
para los seres vivos que la consumen. La contaminación produce en todos
los lugares del mundo, está influenciada por la contaminación del aire y del
suelo.
El agua es el recurso natural indispensable para todo ser vivo. Constituye
una necesidad primordial para la salud; por ello, debe considerarse uno de
los derechos humanos básicos.
El ciclo tiene una gran capacidad de purificación en su estado natural. Por
este motivo muchas personas la han convertido en el vertedero habitual de
los residuos: aguas residuales, pesticidas, desechos químicos, metales
pesados, residuos radiactivos, etc.
La degradación del agua, se ha producido desde la antigüedad; pero, en
este siglo, se ha extendido este problema a ríos y mares de todo el mundo.
Por tal razón las cuencas hidrográficas se han convertido en la prioridad de
las nuevas generaciones con el objetivo de mantener la calidad del agua.
El consumo de agua a nivel mundial aumentó seis veces entre 1900 y 1995
más del doble de la tasa de crecimiento de la población y continúa
2
aumentando a medida que incrementa tanto la demanda doméstica como
industrial (Kirby, 2004)
Debido a esto, el despilfarro, contaminación del recurso, su inadecuado uso
y administración deficiente, sumado al crecimiento poblacional son los
factores que han dado lugar a que en 50 años, México se encontrará entre
los países con deficiencia del líquido vital.
Unos 2.800 millones de personas viven sujetas a algún tipo de falta de agua;
y para el año 2025, dos tercios de la población será afectada, de ellos 1.800
millones, se enfrentarán a una falta drástica (Hurtado, 2007).
3
1.2. CARACTERIZACIÓN DEL PROBLEMA
Los recursos hídricos son indispensables para la vida de los seres vivos,
debido al crecimiento poblacional ha comenzado a escasear. Después del
aire, el este es el elemento más indispensable para la existencia del hombre.
Por eso preocupa que su obtención y conservación, se esté convirtiendo en
un problema de vital importancia.
El agua contaminada por metales pesados (Pb y Cr), puede ser una fuente
de intoxicación, debido a la bioacumulación de estos elementos en los
organismos vivos. Cuando se combinan aguas ácidas provenientes de
sistema de conducción por tuberías revestidas de algún metal contaminante,
este puede llegar a afectar significativamente la salud de quien la consuma.
Existen muchos tipos de contaminantes de origen antropogénicos entre los
que se destacan los metales pesados por ejemplo, el plomo (Pb) y cromo
(Cr), los cuales son elementos tóxicos que se bioacumulan en el cuerpo
humano conforme se inhala del aire o ingiere con los alimentos y el agua. El
plomo es un metal utilizado durante muchos siglos para fabricar tuberías de
agua y utensilios de cocina; por esta razón puede contaminar el agua
potable.
Las cuencas hidrográficas se han convertido en el principal vehículo
utilizado por el hombre para eliminar los residuos generados. El desarrollo
económico descontrolado y aumento de la población han incrementado de tal
manera el impacto del hombre sobre la hidrosfera que ha superado
ampliamente su capacidad de autodepuración y traído, como consecuencia,
la pérdida de calidad y cantidad de agua apta para el consumo humano.
4
Los procesos de descontaminación investigados en los países desarrollados,
pueden ser muy eficientes en cuanto a la calidad de los efluentes producidos
pero generalmente los costos, de construcción y operación son altos, por lo
cual se deben desarrollar sistemas sostenibles de tratamiento, buscando el
mejoramiento de la salud de la población y medio ambiente.
La contaminación del agua es, según la Ley ecuatoriana, “la acción y el
efecto de introducir materias o formas de energía o introducir condiciones en
el agua que, de modo directo o indirecto, implique una alteración perjudicial
de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función
ecológica” (SENAGUA, 2008).
Para la Organización Mundial de la Salud (OMS), el agua está contaminada
cuando su composición ha sido alterada de modo que no conserva las
propiedades que le corresponden a su estado natural.
La bioadsorción de los contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos
presentes en el agua se pueden realizar mediante el empleo de
biomateriales vivos o inertes. La bioadsorción está basada en la extracción
por los residuos agroindustriales que no realiza funciones metabólicas, la
cual es una sustancia química compleja cuyos diversos tipos de grupos
activos muestran tendencias de enlazar sustancias químicas con cargas
eléctricas contrarias, atrayéndolos desde la solución y ligándolos a los
residuos lignocelulosicos (Volesky, 2003).
5
1.3. OBJETIVOS.
1.3.1. Objetivo General
- Promover la utilización de bioadsorventes para remover los
metales pesados contenidos en las aguas contaminadas.
1.3.2. Objetivos Específicos.
- Determinar las características físico-químicas del polvo de la cáscara
de banano maduro.
- Desarrollar un protocolo de investigación sobre la capacidad de
bioadsorción de metales pesados (plomo y cromo) por el polvo de
cáscara de banano maduro en aguas contaminadas.
- Determinar la cantidad máxima de plomo y cromo bioabsorbidos por
el polvo de cáscara de banano maduro.
- Utilizar la cáscara de banano maduro en polvo (seca) como
bioadsorbente de metales pesados, plomo y cromo, en la limpieza de
aguas contaminadas.
6
1.4. JUSTIFICACIÓN
La bioadsorción de metales pesados es una técnica de tratamiento de aguas
contaminadas que mediante la bioadsorción de metales pesados por los
residuos agroindustriales ha sido empleada como una alternativa para las
tecnologías físico-químicas existentes, encargadas de descontaminar las
aguas que contienen metales pesados. La adsorción en el proceso de
liosorción es similar al de los adsorbentes principales aplicados en el
tratamiento de las aguas residuales como alúmina, ciertas resinas orgánicas
y carbón activado.
Existen en la actualidad, dos fuentes importantes actividades antropogénicas
responsables de la contaminación del medio ambiente agudizando las
condiciones de vida: la descarga de metales pesados al ambiente producto
de las actividades mineras, que causa numerosos problemas de salud
debido a la toxicidad intrínseca, bioacumulación y persistencia en la
naturaleza de estos y los desechos agroindustriales de la producción de
alimentos a gran escala, como el banano maduro, que generan una fuente
importante de agresión ambiental por lo que la posibilidad del procesamiento
de la cáscara de banano maduro para obtener un producto seco (en polvo)
para su empleo en el proceso de descontaminación (bioadsorción) de
metales pesados, como cromo y plomo, en aguas contaminadas, se traduce
en una variante importante de utilización, aplicación y protección del medio
ambiente y la salud humana (ONU, 2003).
7
1.5. HIPÓTESIS
1.5.1. Hipótesis alternativa
H1: Aplicando harina de cáscara de banano como bioadsorvente en aguas
contaminadas con plomo y cromo, se logra reducir la concentración de estos
metales pesados.
1.5.2. Hipótesis nula
H0: Aplicando harina de cáscara de banano como bioadsorvente en aguas
contaminadas con plomo y cromo, no se logra reducir la concentración de
estos metales pesados.
8
2. MARCO TEÓRICO
2.1. ESTADO DEL ARTE
Investigaciones recientes sobre la bioadsorción del metales pesados en
aguas residuales, realizadas a nivel mundial, revelan la capacidad de
bioadsorción de diferentes residuos agroindustriales como la cáscara de
banano (Pinzón & Cardona, 2008), la cáscara de tamarindo (Acosta & López,
2010), la cáscara de naranja (Garcés, 2012), entre otras, siendo la primera,
el material bioadsorbente de nuestro interés debido a su gran producción en
el Ecuador.
2.2. LA HARINA DE CÁSCARA DE BANANO COMO BIOADSORBENTE
DE LOS METALES PESADOS
La capacidad de los residuos lignocelulósicos de adsorber iones de metales
pesados, es de importancia para el desarrollo de una tecnología eficaz,
limpia y barata para el tratamiento de las aguas residuales (Montanher,
Oliveira, & Rollenberg, 2005.).
Un gran número de residuos agrícolas de costo bajo han sido y son
utilizados como adsorbentes para la eliminación de metales pesados,
incluyendo el aserrín, la cáscara de coco, la fibra de coco, la cáscara de
banano, las cenizas volantes provenientes del bagazo, cáscara de naranja,
el musgo y las cáscaras de nueces (Annadurai, Jueng, & Lee, 2002.).
La mayoría de estos adsorbentes tiene una buena capacidad de adsorción
en comparación con los carbonos activados e intercambiadores comerciales
de iones;
9
Pero, su uso en su forma original es limitado debido a la filtración de
sustancias orgánicas en las soluciones.
Por lo tanto, se debe realizar investigaciones dirigidas a prevenir la filtración
de sustancias orgánicas durante el proceso de adsorción sin afectar la
capacidad de adsorción.
La cáscara de banano, cuando se seca y muele, hasta obtener un polvo muy
fino, tiene la capacidad de limpiar las aguas contaminadas con metales
pesados de una manera eficaz y barata.
En la actualidad el método con mayor eficiencia para la descontaminación
del agua con metales pesados (plomo, níquel, cromo, etc.), se realiza
mediante carbón activado, un producto industrial adsorbente que retiene
sobre su superficie, un porcentaje pequeño de estos metales; pero que
también ofrece un costo alto para el medio ambiente.
En Brasil se aprovecha este desecho para la limpieza de uno de los
principios básicos de la física-química: los polos opuestos, se atraen. En la
cáscara de plátano existe un gran número de moléculas con carga negativa
como carbonil, carboxil, sulfidril, fosfato e hidroxil (Planeta Sustentável,
2014).
Estas moléculas tienen la capacidad de atracción sobre la carga positiva de
los metales pesados (Annadurai, Jueng, & Lee, 2002.).
2.2.1. Proceso de retención de metales pesados utilizando harina
de cáscara de banano como material bioadsorbente
A continuación, se presenta el diagrama de flujo se presenta el proceso de
bioadsorción de metales pesados.
10
Figura 2.1: Proceso de retención de metales pesados
Fuente: Civantos, 2011.
11
2.2.1.1. Descripción del proceso
A continuación se describe el proceso de bioadsorción de los metales
pesados.
Secado: la cáscara molida de banano maduro, pueden ser secadas al
ambiente o en secadores industriales a temperaturas de 105°C, hasta
obtener peso constante.
Molienda: la cáscara obtenida en el pelado manual de banano maduro para
elaboración de puré o para consumo directo, se muele en molinos de tal
manera que se obtenga un polvo soluble.
Tamizado: se pasa el material molido por un tamiz de tamaño de partícula
conocida para asegurar que las partículas sean uniformes.
Retención: el un polvo fino obtenido de las etapas anteriores se añade al
agua contaminada en concentraciones que pueden variar desde 1 a 5 g/L.
Análisis: en el laboratorio, se mide la concentración inicial de metales
pesados y luego del proceso también se mide la concentración y se
determina la eficiencia del proceso. Al ser la harina de cáscara de banano
maduro muy perecible y subceptible de contaminación por microorganismos
solo se la puede utilizar una sola vez. Es decir, si se pudiera pasar esta
agua varias veces más sería posible purificar el agua casi por completo.
En investigaciones similares se utilizó como contaminante uranio, pero
afirman que el método también es eficaz con otros metales utilizados
ampliamente en la industria como el cadmio, el plomo o el níquel.
Milena Boniolo, investigadora brasileña realizó el descubrimiento, como
parte de su tesis doctoral y afirma que sólo en Sao Paulo se disponen a los
residuos sólidos domiciliarios cerca de cuatro toneladas de cáscaras de
12
plátano a la semana, solo en los restaurantes. Al poseer la cáscara de
banano un alto potencial como descontaminante, sería muy sencillo
convencer tanto a las empresas de alimentos como a los propietarios de los
restaurantes para que donaran sus residuos de plátanos.
La cáscara de plátano, además de ser un residuo barato y altamente
disponible, tiene en su composición hidroxila y carboxila de pectina,
elementos capaces de adsorber no sólo metales pesados sino también
compuestos orgánicos (Renata, y otros, 2009).
2.3. METALES PESADOS
Este término engloba a cualquier elemento químico metálico que tenga una
relativa densidad alta; y posea propiedades toxicas o venenosas en
concentraciones bajas. Los ejemplos de metales pesados incluyen mercurio
(Hg), cadmio (Cd), arsénico (As), cromo (Cr), talio (Tl), y plomo (Pb). Los
metales pesados son componentes de la corteza terrestre. No pueden ser
descompuestos o destruidos. En forma de trazas (< 50 ppm) se incorporan
a nuestros cuerpos vía alimenticia, consumo de agua o respirando aire
contaminado. Muchos metales como el cobre, selenio, cinc son esenciales
para mantener el metabolismo del cuerpo humano. Sin embargo, en
concentraciones altas pueden conducir al envenenamiento.
El envenenamiento por metal pesado podría resultar, por ejemplo, de la
contaminación del agua potable (tuberías del plomo), las concentraciones
altas en el aire cerca de las fuentes de la emisión o producto, vía la cadena
de alimento.
13
Los metales pesados representan peligro para la salud porque tienden a
bioacumularse. Esto significa un aumento en la concentración de un producto
químico en un organismo biológico en un cierto plazo, comparada a la
concentración del producto químico en el ambiente. Se analizan
(metabolizado) o excretan; los compuestos se acumulan en seres vivos
cualquier momento se toman y almacenan más rápidamente que ellos.
Los metales pesados pueden entrar en un abastecimiento de agua por medio
de los residuos industriales; se deposita en las corrientes, los lagos, los ríos,
etc.
Algunos metales son necesarios para las funciones bioquímicas y
fisiológicas de los seres humanos (Vásconez, 2012).
Metales como el cobre, manganeso o zinc, son imprescindibles para el
mantenimiento de los sistemas bioquímicos de los seres vivos, como por
ejemplo, que son esenciales en el metabolismo de los mamíferos
(Bengtsson, Alvenas, Nilsson, Hultman, & Oborn, 2006). Actúan como tóxicos
potentes, degradando la salud de los seres humanos como para los
ecosistemas, según sean sus vías de exposición, la dosis absorbida, la
naturaleza química del metal, etcétera (Rodrigues & Formoso, 2005).
La toxicidad de estos metales radica en la concentración en la que se
encuentren, debido que algunos presentan propiedades cancerígenas
(Chapman, Wang, Janssen, Goulet, & Kamunde, 2003).
La principal fuente de metales pesados es la corteza terrestre. Existen
procesos generados por la actividad humana, como la minería, agricultura,
ganadería, actividades industriales y tráfico automovilístico, que son
considerados, como fuentes de metales pesados.
14
Debido a la naturaleza y de permanencia de los metales, éstos se
encuentran en todas las matrices ambientales (aire, agua, suelos, flora y
fauna), sino que también han ingresado al organismo humano (Zhao,
Maeda, Zhang, Zhu, & Ozaki, 2006).
El ser humano está expuesto a estos contaminantes debido a su amplia
difusión en el medio ambiente. Una de las vías más importantes de
exposición es el consumo de alimentos contaminados (Falco, Llobet, Bocio,
& Domingo, 2006).
Los metales se incorporan en el cuerpo humano a través del agua potable,
por ingestión o absorción dérmica durante la ducha o el baño. También,
pueden ser ingeridos, inhalados o absorbidos dérmicamente a partir de las
partículas de polvo suspendidas que provienen de los suelos. En el aire, la
contaminación atmosférica de las partículas que contienen metales implica
una amplia variedad de efectos potenciales adversos sobre la salud
(Bukowiecki, y otros, 2007).
La necesidad creciente de movilidad de la sociedad moderna ha convertido
al tráfico en una de las causas principales de la contaminación atmosférica
de las partículas por los combustibles fósiles.
Las producción de contaminantes de las actividades industriales (metalurgia
extractiva, canteras, mineras, cementeras, etc.) son también una fuente
importante de estos contaminantes del aire, así como los incendios forestales
(Bi, y otros, 2006).
15
2.3.1. Importancia del análisis de los metales pesados
El agua es el solvente universal, gracias a esta propiedad disuelve la mayor
cantidad de sustancias orgánicas e inorgánicas dependiendo de sus
solubilidades. La incorporación de varios solidos o estructuras geológicas es
fuente de una gran variedad de iones disueltos en las aguas superficiales, los
que permitirían saber, de no haber existido la actividad humana, el tipo de
suelo que atraviesa una fuente de agua. Algunos de estos iones se
encuentran en forma mayoritaria, respecto a los demás elementos en todas
las aguas continentales: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42- , CO3
2-, mientras que
otros, se hallan a niveles de trazas, como es el caso de los metales pesados,
siendo algunos de ellos necesarios para el desarrollo correcto de los
microorganismos, las plantas y los animales que consuman de esta agua.
La contaminación de los cuerpos de agua del planeta, se produce, por la
presencia de compuestos o elementos que son producidos por las
actividades antropogénicas, o por una variación de la concentración normal
de las sustancias existentes debido a la acción humana. Los componentes
químicos potencialmente tóxicos son los metales pesados, y entre ellos Sb,
As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Se y Zn.
El ingreso de metales pesados al ciclo hidrológico procede de diversas
fuentes, siendo una de ellas de origen natural como lo es la erosión del
suelo, que deja libre minerales que luego son arrastrados por las aguas
lluvias hasta los cauces de agua.
La mayor concentración de contaminantes del agua es de origen
antropogénico debida principalmente a la actividad humana.
16
El estudio de los metales pesados es importante, debido a su alta toxicidad,
alta persistencia y acumulación rápida por los organismos vivos. Los efectos
tóxicos de los metales pesados, no presentan problemas de salud a plazo
corto, aunque sí puede haber una incidencia muy importante a medio y largo
plazo.
Evitar el ingreso de contaminantes a nuestro organismo es difícil, puesto
que los propios organismos vivos los incorporan a sus tejidos a través del
consumo de alimentos contaminados y de éstos a sus depredadores, en los
que se acaban manifestando. La toxicidad de los metales pesados es
proporcional a la facilidad de ser bioadsorbidos por los seres vivos, un metal
disuelto en forma iónica puede adsorberse más fácilmente que estando en
forma elemental; si esta, se halla reducida finamente aumentan las
posibilidades de su oxidación y retención por los diversos órganos (Castro,
2009).
2.3.2. Cuantificación de metales pesados mediante
espectrometría de absorción atómica
Este método analítico permite la cuantificación cualitativa y cuantitativa de
la concentración de diferentes elementos metálicos como plomo, mercurio,
aluminio, calcio, cadmio, cromo, litio, hierro, magnesio, potasio y sodio, en un
orden de detección entre las 3x10-4 a más de 20 ppm en una solución. La
espectrofotometría de absorción atómica es el método para determinar los
niveles de metales pesados en muestras ambientales. Esta técnica se basa
en que los átomos de un elemento, en estado basal de energía, pueden
absorber radiación electromagnética que es característica de la estructura
electrónica externa de dicho elemento.
17
Las muestras a ser analizadas deben pasar por una digestión acida de los
tejidos en caso de ser una muestra solida con el fin de destruir la materia
orgánica y solubilizar el elemento de interés. La digestión ácida, se realiza
utilizando solo con ácido nítrico (HNO3) o en combinación con ácido
perclórico (HClO4), clorhídrico (HCl) o sulfúrico (H2SO4) y en el caso del
mercurio con peróxido de hidrogeno.
El procedimiento general para determinar metales pesados comprende: la
atomización de la muestra que inicia con la nebulización de la solución,
mediante el uso de una llama producida por un gas oxidante y uno
combustible. Una vez en contacto con la llama, el disolvente, se evapora
formando un aerosol molecular sólido. Posteriormente, la disolución de la
mayoría de estas moléculas produce un gas atómico. Los átomos absorben
la radiación electromagnética emitida por una lámpara de cationes con una
longitud de onda característica.
Las lámparas más utilizadas son aquellas denominadas de cátodo hueco.
Estas lámparas, se componen de un ánodo de wolframio y cátodo cilíndrico
cerrados herméticamente en un tubo de vidrio que contiene neón o argón. El
cátodo de la lámpara contiene el metal cuyo espectro es el que se desea
analizar. Una vez que los átomos absorben la energía procedente de la
lámpara del cátodo hueco, un monocromador que cumple la función de aislar
las líneas espectrales no deseadas, de longitud de onda seleccionada para el
análisis. Por último, una foto multiplicadora convierte la luz en señales
eléctricas, que son analizadas por un detector (Skoog, Holler, & Nieman,
2000).
18
La atomización por medio de vapor frío; se realiza cuando el analito es Hg,
debido a que la presión de vapor de este metal se aprecia a temperatura
ambiente (EPA, 1996).
2.3.3. Fuentes de emisión y generación de metales pesados
Los metales son propios de la corteza terrestre. Los cuales contaminan en
mayor proporción se son expuestos al medio ambiente al realizar actividades
humanas.
La minería es la principal fuente de contaminación de metales pesados
debido a la remoción de grandes cantidades de material, refinamiento de
metales precioso o la liberación al ambiente de efluentes industriales y
emisiones vehiculares.
La inadecuada disposición de los residuos metálicos también ha
ocasionado la contaminación del suelo, agua superficial y subterránea y los
ambientes acuáticos.
Los fenómenos naturales y las actividades antropogénicas contribuyen
significativamente a la emisión de elementos metálicos a la atmósfera. Cabe
señalar, que al comparar las emisiones globales, la emisión de los elementos
como selenio, mercurio y manganeso, se realizan, en su mayoría, por fuentes
naturales; sin embargo, en el plano regional, las fuentes antropogénicas
pueden contribuir de manera importante y estos metales, se convierten en
contaminantes en la escala local.
A continuación se detallan las fuentes principales de emisión de los metales
pesados en Ecuador ( Ministerio del Medio Ambiente, 2006):
19
Cuadro 2.1: Fuentes principales de emisión de los metales pesados
ELEMENTO CAUSA
Mercurio Explotaciones mineras de extracción de oro, plata y cobre.
Fundición primaria y secundaria de metales.
Producción de carbón y coque.
Combustión de combustibles fósiles y carbón en la
generación de electricidad.
Industria de cloro-sosa.
Incineración de residuos peligrosos y biológicos infecciosos.
Plomo Fundición primaria y secundaria de metales.
Loza vidriada.
Producción de pinturas.
Elaboración de latas soldadas con plomo.
Industria electrónica y de cómputo.
Uso de gasolina con plomo.
Cadmio Baterías recargables de níquel/cadmio (Ni/Cd):
Agroquímicos
Pigmentos y estabilizadores en plástico y PVC
Pigmentos en pinturas.
Galvanización
Catalizadores y conservadores en la industria del plástico
Elaboración de pinturas
Aleaciones
Cromo Pinturas
Sales de broncear
Aleaciones metálicas.
Fuente: (Utgikar, 2004)
20
2.3.4. Efectos negativos de los metales pesados a la salud y al
ambiente
La contaminación por metales pesados puede genera diversos efectos a la
salud humana y el medio ambiente, dependiendo del elemento presente. Los
efectos negativos para la salud y al medio ambiente para los metales
pesados de mayor toxicidad en Ecuador se detallan a continuación (Aldaña,
Mejia, Venturia, Gonzalez, & Martinez, 2014):
2.3.4.1. El Plomo
Metal pesado de formula Pb, número atómico 82 y peso atómico 207,19.
Este metal posee una densidad relativa 11,4 g/cc 16ºC (61ºF), en estado
natural es de color azuloso, que se empaña para adquirir un color gris mate.
Es maleable y se funde con facilidad a 327,4ºC (621,3ºF) ebulle a 1725ºC
(3164ºF). Es un metal divalente (2 y 4). Es muy resistente al ataque de los
ácidos sulfúrico y clorhídrico. Soluble en ácido nítrico. El plomo es anfótero,
ya que forma sales de plomo de los ácidos, así como sales metálicas del
ácido plúmbico. El plomo forma muchas sales, óxidos y compuestos órgano
metálicos.
Las intoxicaciones por ingesta de sales de plomo, conocidas desde la
antigüedad, se producido por el consumo de bebidas contaminadas por este
metal, principalmente de fabricación clandestina de vino. La principal fuente
de intoxicación por plomo es provocada por el consumo de alimentos
preparados o almacenados en recipientes de barro de los cuales se
desprende plomo.
21
El intenso tráfico vehicular, que soportan las grandes ciudades resulta un
problema de contaminación, debido a la inhalación de partículas
extremadamente pequeñas que persisten en el aire durante algunas
semanas antes de sedimentarse y que son emitidas por los autotransportes
que consumen gasolinas que contienen tetra etilo de plomo. Este metal es el
contaminante principal en la atmósfera. La utilización de pinturas que
contienen pequeñas cantidades de plomo, suele presentarse la intoxicación
de niños al estar en contacto o ingerir la pintura descascarada.
La epidemiologia muestra que la presencia de plomo en el cuerpo humano
inhibe la acción de las enzimas involucradas en la síntesis del grupo hemo
de la hemoglobina, como la delta aminolevulínico deshidratasa a
concentraciones entre 30 y 40 µg/100 ml de sangre, aun cuando no se
produzcan manifestaciones clínicas. En tanto que la intoxicación en adultos
ocurre a concentraciones superiores a los 80 µg/100 ml de sangre.
La intoxicación aguda, presenta alteraciones digestivas, dolores
abdominales y epigástricos, nauseas, vómitos, alteraciones renales y
hepáticas, convulsión y coma. En cambio la intoxicación crónica puede
involucrar neuropatías, debilidad y dolor muscular, fatiga, cefalea,
alteraciones del comportamiento, parestesias, alteraciones renales,
aminoaciduria, hiperfosfaturia, glucosuria, nefritis crónica, encefalopatía,
irritabilidad, temblor, alucinaciones con pérdida de memoria, cólicos,
alteraciones hepáticas, entre otros. No obstante todo lo anterior, la
intoxicación con plomo es prevenible (INECC, 2009).
Para la biota, incluido el ser humano, el plomo es un elemento no esencial y
potencialmente nocivo.
22
Cuando este metal alcanza niveles tóxicos provoca la disminución de la
fotosíntesis vegetal y el desarrollo de anemia en mamíferos.
En los organismos del reino vegetal el efecto mencionado, se le atribuye la
reducción en el crecimiento, la biomasa y transpiración; además de lesiones
cromosómicas, inhibición de la división celular e interferencia con enzimas
ligadas al metabolismo del nitrógeno (SEMARNAT, 2014).
Este metal es poco frecuente encontrarlo en estado elemental, el mineral
más común es el sulfuro, la galeana, los otros minerales de importancia
comercial son el carbonato, la cerusita y el sulfato y la anglesita que son
mucho más raros. Puede estar formando aleaciones naturales con el uranio
y torio, que proviene directamente de la desintegración radiactiva
(decaimiento radiactivo). Los minerales, comerciales pueden contener plomo
como el 3 %; pero lo más común es un contenido alrededor del 10 %.
Los minerales se concentran hasta alcanzar un contenido de plomo de 40%
o más antes de fundirse.
El plomo posee una diversidad de usos, como tal, se encuentra en la
fabricación de baterías. Otras aplicaciones importantes son la fabricación de
tetraetilplomo, forros para cables, elementos de construcción, pigmentos,
soldadura suave y municiones.
Otro de sus importantes usos es la preparación de compuestos
organoplúmbicos para aplicaciones como son los catalizadores en la
fabricación de espuma de poliuretano, tóxicos para las pinturas navales con
el fin de inhibir la incrustación en los cascos de los barcos, agentes biosidas
contra las bacterias Gram positivas, protección de la madera contra el ataque
de los barrenillos y hongos marinos, preservadores para el algodón contra la
23
descomposición y el moho, agentes molusquicidas, agentes antihelmínticos,
agentes reductores del desgaste en los lubricantes e inhibidores de la
corrosión para el acero.
El plomo resiste a la corrosión, propiedad que ha dado lugar a su amplio
uso en la construcción, en particular en la industria química. Resiste con
facilidad al ataque ácido, porque forma su propio revestimiento protector de
óxido. Como consecuencia de esta característica ventajosa, el plomo se
utiliza mucho en la fabricación y el manejo del ácido sulfúrico.
Se lo emplea para proteger de los rayos X. En virtud de sus múltiples
aplicaciones cada vez más amplias de la energía atómica, se han vuelto
cada vez más importantes las aplicaciones del plomo como blindaje contra la
radiación.
Su utilización en el aislamiento de conductores eléctricos de teléfono y
televisión sigue siendo una forma de empleo adecuada para el plomo. La
ductilidad única del plomo lo hace particularmente apropiado para esta
aplicación, porque puede estirarse para formar un forro continuo alrededor de
los conductores internos.
El uso del plomo en la elaboración de pinturas ha sido muy importante, pero
está decreciendo en volumen. El pigmento más utilizado, en que interviene
este elemento, es el blanco de plomo 2PbCO3.Pb (OH)2; otros pigmentos
importantes son el sulfato básico de plomo y los cromatos de plomo.
La gran variedad de compuestos a base de plomo como los silicatos, los
carbonatos y las sales de ácidos orgánicos, como estabilizadores contra el
calor y la luz para los plásticos de cloruro de polivinilo.
24
Se usan silicatos de plomo en la industria del vidrio y cerámica, que resultan
útiles para introducir plomo en los materiales de acabados.
El azuro de plomo, Pb (N3)2, es el detonador estándar para los explosivos.
Los arsenatos de plomo, se emplean en grandes cantidades como
insecticidas para la protección de los cultivos.
El óxido de plomo (litargirio) se emplea mucho para mejorar las propiedades
magnéticas de los imanes de cerámica de ferrita de bario.
Asimismo, el zirconato de plomo y titanato de plomo, conocida como PZT,
está ampliando su mercado como material piezoeléctrico (Lenntech, 2013.).
2.3.4.2. Efectos del plomo sobre la salud humana
El plomo ha sido ampliamente usado desde el año 5000 A. C para
aplicaciones en productos metálicos, recipientes y tuberías, pero, también,
en pinturas y pesticidas. El plomo es uno de los cuatro metales que tienen un
mayor efecto dañino sobre la salud humana. Ingresa r en el cuerpo humano
a través de los alimentos (65 %), el agua (20 %) y el aire (15 %).
Los alimentos como hortalizas, cereales, frutas, vegetales, carnes, granos,
mariscos, refrescos y vino pueden contener cantidades significativas de
plomo. El humo del cigarrillo aporta con pequeñas cantidades de plomo a
quienes lo fuman.
El plomo contamina el agua potable a través de la corrosión de las tuberías
que lo contienen. Este fenómeno se da lugar con mayor efecto cuando el
agua es ligeramente ácida. Este es el motivo de ajustar el pH del agua para
evitar la corrosión de la tubería y por ende la contaminación del agua.
25
Este metal causa varios efectos no deseados en la salud humana como:
Inhibición de la biosíntesis de la hemoglobina y la anemia.
Variación de la presión sanguínea.
Daños renales.
Problemas abortivos.
Alteración del sistema nervioso.
Daño al cerebro.
Infertilidad del hombre a través del daño en el esperma.
Disminución de las capacidades de aprendizaje de los niños.
Alteración del comportamiento de los niños, como es agresión,
comportamiento impulsivo e hipersensibilidad.
El plomo contamina al feto por osmosis a través de la placenta de la madre.
Debido a esto puede causar daños serios al sistema nervioso y cerebro de
los niños por nacer (Lenntech, 2013.).
2.3.4.3. Efectos ambientales del plomo
Este metal pesado se encuentra en la corteza terrestre de forma natural,
pero las concentraciones mayores encontradas en el medio ambiente son el
resultado de las actividades antropogénicas.
La adición de plomo en las gasolinas, un ciclo no natural del plomo tiene
lugar. En los motores de los coches el plomo es quemado; eso genera sales
de plomo (cloruros, bromuros, óxidos). De esta manera se incorporan
grandes cantidades de sales de plomo al medio ambiente a través de los
tubos de escape de los automotores.
26
Las partículas de mayor peso se precipitan al suelo o sobre cuencas
hidrográficas, las partículas pequeñas viajarán distancias largas a través del
aire y permanecerán en la atmósfera. Parte de este plomo caerá de nuevo
sobre la tierra cuando llueva.
Otras actividades humanas como la combustión de combustibles fósiles, los
procesos industriales, la combustión de los residuos sólidos, también
contribuyen a aumentar la contaminación.
El plomo puede terminar en el agua y los suelos a través de la corrosión de
las tuberías de plomo en los sistemas de transporte y a través de la corrosión
de las pinturas que los contienen plomo. No puede ser roto, pero puede
convertirse en otros compuestos.
El plomo se bioacumula en los organismos acuáticos y del suelo. Estos se
verán afectados en su salud por envenenamiento. Los efectos sobre la salud
de los crustáceos pueden tener lugar incluso cuando sólo hay
concentraciones pequeñas de plomo presente.
Las funciones del fitoplancton suele ser afectada cuando este se ha
contaminado con plomo. El fitoplancton es una fuente importante de
producción del oxígeno en los mares y es alimento de muchos grandes
animales marinos que lo consumen. Razón por la cual la contaminación por
plomo puede influir en los balances globales.
Los suelos cercanos a las autopistas son contaminados por la presencia
del plomo, especialmente cuando existen cultivos, donde las
concentraciones extremas pueden estar presentes. Los organismos del suelo
también sufren envenenamiento por plomo.
27
El plomo es un metal de importante peligrosidad; se acumula en organismos
individuales, pero, también, entra en las cadenas alimenticias (Lenntech,
2013.).
Tabla 2. 1. Concentraciones de plomo en varias matrices medio ambientales.
Material
Concentración media
(g/L) Rango (g/L)
Rocas volcánicas 15,02 0 – 30,0
Piedra caliza 9,00
Carbonato de calcio 7,0 <1 0-3 1.0
Cuarzo 20.0 0-50,0
Carbón 16,0 <6 0,0
Agroquímicos - 4,0 4-488,0
Lodos residuales de
depuradoras 1832,13 0-7627
Suelos 20,0 2 0-200,0
Agua de ríos y lagunas
(g/L) 3,0 0,06-120,0
Agua de mar (g/L) 0,03 0,03-13,0
Fuente: Adriano, 1986.
2.3.5. El Cromo
Metal de símbolo Cr, número atómico 24, peso atómico 51,996; de color
blanco plateado, duro y quebradizo. Relativamente suave y dúctil cuando no
está tensionado o está muy puro. Se usa con mucha frecuencia en la
producción de aleaciones anticorrosivas de gran dureza y resistentes al calor
y recubrimiento para galvanizados.
El cromo en estado puro no se encuentra en la naturaleza. Se encuentra en
forma de cromita.
28
Es de interés geoquímico que se encuentre 0,47% de Cr2O3 en el basalto de
la Luna, proporción que es de 3-20 veces mayor que el mismo espécimen
terrestre.
Existen cuatro isótopos naturales del cromo, 50Cr, 52Cr, 53Cr, 54Cr. Se han
producido diversos isótopos inestables mediante reacciones radioquímicas.
El isótopo más importante es el Cr51, el cual emite radiación gamma débil y
tiene un tiempo de vida media aproximada de 27 días. El cromo utilizado
para la galvanización de piezas es de color blanco azuloso brillante. Su
poder reflejante es 77 % del de la plata (Ag).
Sus excelentes propiedades mecánicas, incluyendo su dureza y la
resistencia a la tensión, determinan la capacidad de utilización. El cromo
tiene una capacidad relativa baja de forjado, enrollamiento y propiedades de
manejo. Sin embargo, cuando se encuentra absolutamente libre
de oxígeno, hidrógeno, carbono y nitrógeno es muy dúctil y puede ser forjado
y manejado.
El cromo forma diversidad de compuestos con otros elementos; éstos, se
representan en términos de los óxidos de cromo: cromo con valencia dos,
CrO, óxido de Cr (II) u óxido cromoso; con valencia tres, Cr2O3, óxido de Cr
(III) u óxido crómico, y con valencia seis, CrO3, anhídrido de Cr (VI) o
anhídrido de ácido crómico. El cromo es capaz de formar compuestos con
otros elementos en estados de oxidación (II), (III) y (VI).
Se conocen también los peróxidos, el ácido percrómico y los percromatos.
Los halogenuros (fluoruro, cloruro, yoduro y bromuro) de cromo son
compuestos bastante comunes de este metal.
29
El cloruro de cromo, por ejemplo, se utiliza en la producción de cromo
metálico mediante la reducción del cloruro cromoso, CrCl2, con hidrógeno.
2.3.5.1. Efectos del cromo sobre la salud humana
Los seres vivos se encuentran expuestos al cromo a través de la respiración
de aire, ingerirlo, y a través del contacto con la piel.
La presencia de cromo (Cr) en el medio ambiente generalmente baja. En
agua para beber el nivel de cromo es usualmente bajo como en el agua de
pozo; el agua contaminada puede contener el cromo (VI) peligroso; cromo
hexavalente. Para quienes se alimentan con comida que contiene cromo III
están expuestos a un mayor ingreso a su cuerpo, el cromo III ocurre
naturalmente en muchos vegetales, frutas, carnes, levaduras y granos. La
preparación de los alimentos y almacenaje pueden alterar el contenido de
cromo, dependiendo si se la almacena en tanques de acero o latas las
concentraciones de cromo pueden aumentar. El cromo trivalente es un
nutriente esencial para los humanos y la falta de éste puede causar
afecciones del corazón, trastornos metabólicos y diabetes. Pero la ingesta
de concentraciones altas de cromo III puede causar efectos sobre la salud,
por ejemplo erupciones cutáneas (Lenntech, 2013.).
El cromo hexavalente es un peligro para la salud de los humanos,
mayoritariamente para la gente que trabaja contacto directo con materiales
en los cuales este metal está presente, tal es el caso de la industria del
acero y textil. La gente que fuma tabaco también puede tener un grado alto
de exposición al cromo. El cromo (VI) causa varios efectos negativos sobre
la salud. Al ser respirado el cromo (VI) irrita las fosas nasales y provoca
sangrado de las mismas. Otros problemas de salud muy comunes causados
por el cromo (VI) son;
30
Erupciones cutáneas.
Problemas intestinales.
Problemas respiratorios.
Reducción del sistema inmune.
Daños renales y hepáticos.
Alteración del material genético.
Cáncer de pulmón.
Muerte.
2.3.5.2. Efectos ambientales del cromo
Este metal en sus dos clases de cromo difiere en sus efectos sobre los
organismos vivos. El cromo entra en el aire, agua y suelo en forma de cromo
trivalente y cromo hexavalente a través de los procesos naturales y las
actividades antropogénicas.
Las mayores actividades antropogénicas que incrementan las
concentraciones de cromo (III) son el acero, las peleterías y las industrias
textiles, la pintura eléctrica y otras aplicaciones industriales del cromo (VI).
Estas aplicaciones incrementan las concentraciones del cromo en el agua.
La combustión del carbón, el cromo será, también, emitido al agua y,
eventualmente, se disolverá (Gutiérrez, López de Cerain, & Salsamendi,
2001).
El cromo trivalente (III) es esencial para los organismos vivos, puede
interferir en el metabolismo del azúcar y causar problemas de corazón,
cuando la dosis es muy baja.
31
El cromo (VI) es mayoritariamente tóxico para los organismos vivos. En
exceso puede alterar el material genético y causar cáncer (Kimbrough,
1999).
Las plantas poseen la propiedad para adsorber cromo, para que esta sea lo
suficientemente baja para no causar cáncer. Cuando el suelo está
contaminado por cromo, la concentración aumenta y por ende las
concentraciones de cromo en los cultivos.
La disminución de los valores de pH del suelo influye en la captación de
cromo por los cultivos. Las plantas usualmente absorben sólo cromo (III).
Esta clase de Cromo probablemente es esencial, pero cuando las
concentraciones exceden cierto valor, efectos negativos pueden ocurrir.
No es conocido que el cromo se acumule en los peces, pero concentraciones
altas de cromo, debido a la disponibilidad de metales en las aguas
superficiales, pueden dañar las agallas de los peces que nadan cerca del
punto de vertido.
En animales, el cromo puede causar problemas respiratorios, una baja
disponibilidad puede dar lugar a contraer las enfermedades, los defectos de
nacimiento, la infertilidad y la formación de tumores (Lenntech, 2013.).
Las concentraciones de cromo en distintos matrices ambientales se
presentan a continuación en la tabla 2.2.
32
Tabla 2.2.Concentraciones de cromo en varias matrices medio ambientales
Material Concentración media (g/L) Rango (g/L)
Corteza continental 125,08. 0 - 200,0
Piedra caliza 10,0 <1. 0 - 120,0
Rocas volcánicas 35,0 -
Esquistos 120.0. 0-590,0
agroquimicos <30. 0-3000
Suelos 40,0 0-150,0
Agua de ríos y
lagunas (g/L) 1.0 0,10 - 6,0
Agua de mar (g/L) 0,3 0,2 - 50,0
Fuente: Adriano, 1986.
2.4. LOS METALES PESADOS EN LAS AGUAS RESIDUALES
Las fuentes habituales de las aguas residuales que contienen grandes
cantidades de metales como el cromo, cadmio, cobre, mercurio, plomo y zinc
proceden, principalmente, de la limpieza de los metales, los recubrimientos,
los curados, el refino de fosfato y bauxita, y la generación de cloro, la
fabricación de baterías y teñidos.
Los efectos que provocan sobre el medio ambiente son los siguientes:
mortalidad de los peces, envenenamiento de ganado, mortalidad de
plancton, acumulaciones en el sedimento de los peces y moluscos.
El hierro, calcio, magnesio o manganeso también suelen estar presentes en
las aguas residuales de las industrias de metalúrgica, la fabricación de
33
cemento, las cerámicas y los bombeos de gasolina. Sus efectos, menos
peligrosos que los anteriores, principalmente, son el cambio en las
características del agua: color, dureza, salinidad e incrustaciones. Debido a
su toxicidad, la presencia de cualquiera de ellos, en cantidades excesivas los
usos del agua (Guéguen, 2004).
2.4.5. Retención y eliminación de metales pesados en las aguas
contaminadas.
La tecnología ha implementado diversos procesos para la eliminación de la
contaminación por metales tóxicos, los cuales consisten en el uso selectivo y
mejoramiento de estos procesos naturales para el tratamiento de residuos
particulares. Los procesos por los cuales los organismos interactúan con los
metales tóxicos son muy diversos, tal como se observa en la Figura 2.2.
En la actualidad existen procesos biotecnológicos para el tratamiento de los
residuos líquidos que contienen metales tóxicos: la bioadsorción,
precipitación extracelular y captación a través de biopolímeros purificados y
otras moléculas especializadas, derivadas de las células microbianas. Estos
procesos involucran fenómenos fisicoquímicos y biológicos. Las tecnologías
que utilizan estos procesos se encuentran en uso para controlar la
contaminación de diversas fuentes, incluyendo las actividades de fundición y
minería.
Los métodos químicos se logran mediante el uso de soluciones especiales
que al entrar en contacto con los diferentes productos, provocan la alteración
de su estructura química.
Un ejemplo sencillo es el de los detergentes concentrados de uso casero,
que al entrar en contacto con las grasas de los artefactos de cocina, las
34
degradan a tal punto que pueden ser fácilmente eliminadas con una esponja.
Existen soluciones para ácidos y bases inorgánicas, para metales pesados,
para pesticidas, compuestos orgánicos y para aceites. La preparación de
estas mezclas debe ser efectuada por expertos y no serán detalladas en este
curso. Lo que interesa es saber de qué existen y que deben ser aplicadas
sólo en los trajes y herramientas, nunca sobre la piel de las personas.
Algunos metales pesados son esenciales para el crecimiento y metabolismo
microbiano en concentraciones bajas, tales como Cu, Zn, Mn, mientras que a
otros no se les conoce función biológica, Au, Ag, Pb, Cd. Una característica
de estos metales y elementos relacionados es que pueden ser altamente
tóxicos para las células vivas.
Los bioadsorventes utilizados en la descontaminación producen menos
problema de la toxicidad, no solo de la provocada por metales disueltos, sino,
también por las condiciones adversas de operación, además del
componente económico de mantenimiento incluyendo el suplemento de los
nutrientes.
Las células vivas presentan una variedad más amplia de mecanismos para
la acumulación de metales como el transporte, la formación de complejos
extracelulares y la precipitación De manera adicional, la tolerancia y
resistencia a los metales pesados son propiedades que están muy
distribuidas en los microorganismos de todos los grupos. (Cañizares, 2000).
35
Figura 2.2. Procesos que contribuyen a la captación microbiana y
destoxificación de metales.
Fuente: (Gadd, 1993).
La localización de algunos de los procesos, especialmente reacciones
redox, no se conoce (se indican las localizaciones propuestas) y puede variar
entre grupos, cepas y especies de organismos procarióticos y eucarióticos
(Gadd, 1993).
2.5. TIPOS DE AGUAS RESIDUALES
Las aguas residuales se definen según la siguiente tipología:
Aguas residuales domésticas: son aquellas procedentes de zonas
habitadas y de servicios generadas principalmente por el metabolismo
humano y las actividades domésticas.
36
Aguas residuales industriales: son todas las aguas vertidas desde locales
comerciales o industrial, que no sean aguas residuales domésticas ni aguas
lluvias.
Aguas residuales urbanas: son la mezcla de aguas residuales domésticas
y aguas residuales industriales y/o aguas de escorrentía pluvial. Todas ellas
habitualmente se recogen en un sistema colector y son enviadas mediante
un emisario terrestre a una planta EDAR (Estación Depuradora de Aguas
Residuales). Las industrias que realicen el vertido de sus aguas residuales
en esta red colectora, habrán de acondicionar previamente sus aguas.
Características más notables de los vertidos de los principales tipos de
industrias
2.5.1. Aguas residuales domesticas
Son aguas con concentraciones por lo general materia orgánica, tanto en
suspensión como en disolución, normalmente biodegradable, y cantidades
importantes de nitrógeno, fósforo y sales minerales.
2.5.2. Aguas residuales industriales
Poseen una composición muy variada en cuanto a caudal y composición,
difiriendo las características de los vertidos, no sólo de una industria a otra,
sino también dentro de un mismo tipo de industria.
Por lo general son desechadas en determinadas horas cuando se han
terminados las producción industrial. También son habituales las variaciones
de caudal y carga a lo largo del día.
Éstas tienen un mayor grado de contaminación que las aguas residuales
urbanas, además, con una contaminación mucho más difícil de eliminar.
37
Los contaminantes que se encuentran en aguas residuales procedentes de
instalaciones industriales diversas. A diferencia de las aguas residuales
domésticas, los efluentes industriales contienen con frecuencia sustancias
que no se eliminan por un tratamiento convencional, bien por estar en
concentraciones elevadas, o bien por su naturaleza química. Muchos de los
compuestos orgánicos e inorgánicos que se han identificado en aguas
residuales industriales son objeto de regulación especial debido a su
toxicidad o a sus efectos biológicos a largo plazo.
2.5.3. Aguas residuales urbanas
Su composición es homogénea en cuanto a composición y carga
contaminante, ya que sus aportes van a ser siempre los mismos.
Entre los factores que influyen en la cantidad de aguas residuales que se
genera en una aglomeración urbana destacan el consumo de agua de
abastecimiento, la pluviometría (en el caso de redes de saneamiento
unitarias), las pérdidas, que pueden deberse a fugas en los colectores o a
que parte de las aguas consumidas no llegan a la red de alcantarillado (como
por ejemplo el riego de jardines) y las ganancias, por vertidos a la red de
alcantarillado o por intrusiones de otras aguas en la red de colectores.
(Ciclus, 2015).
2.6. FUENTES DE GENERACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
El crecimiento exponencial puesto de manifiesto en todos los núcleos
poblacionales del mundo, trae aparejado la generación de efluentes en forma
directamente proporcional, que aunado a la incontrolada industrialización y
sobre todo urbanización, determinaron la saturación de la capacidad
asimiladora de la naturaleza conduciendo en muchos casos a
38
perturbaciones irreversibles del equilibrio ecológico. Por esto, es importante
tomar conciencia que la contaminación es un problema de todos los
habitantes de cualquier comunidad -independientemente de su tamaño- y
que es uno de los principales desafíos con que se enfrentará la humanidad
en este siglo. ( EAAB. , 2010).
Provienen de cuatro fuentes principales que son: aguas domésticas o
urbanas, aguas residuales industriales, escorrentías de usos agrícolas y
pluviales. Aunque el objetivo principal de este módulo didáctico es el estudio
del tratamiento de las aguas residuales industriales y domésticas, la
contaminación debida a los usos agrícolas así como las aguas pluviales de
zonas urbanas están adquiriendo una gran importancia. Normalmente las
aguas residuales, tratadas o no, se descargan finalmente a un receptor de
aguas superficiales (mar, río, lago, entre otros) ( EAAB. , 2010).
Es importante recalcar que las escorrentías de usos agrícolas arrastran
fertilizantes (fosfatos) y pesticidas, que causan eutrofización de lagos y
pantanos y tal como se indica en la Conferencia “Sistemas de Tratamiento de
Aguas Residuales” la composición de las aguas residuales es muy variable
en razón de los diversos factores que lo afectan, como por ejemplo, del
consumo promedio de agua por habitante y por día que afecta su
concentración (cantidad) y los hábitos alimenticios de la población que
caracteriza su composición química (calidad).
Estudios realizados por la OMS (2006), concluyen que más del 10% de la
población mundial consume productos irrigados con aguas residuales no
tratadas, debido a los altos costos de las plantas de depuración y tratamiento
de aguas, lo que las hace inasequibles para los países pobres como China,
donde hay 50 ciudades que todavía desaguan sus residuos directamente a
39
ríos sin ningún tratamiento y en otras 400, casi todas ellas en el norte del
país, la escasez provoca cortes de agua crónicos.
En general, las aguas residuales contienen aproximadamente un 99,9 % de
agua y el resto está constituido por materia sólida. Los residuos sólidos están
conformados por materia mineral y materia orgánica. La materia mineral
proviene de los subproductos desechados durante la vida cotidiana y de la
calidad de las aguas de abastecimiento. La materia orgánica proviene
exclusivamente de la actividad humana y está compuesta por materia
carbonácea, proteínas y grasas.
Las proteínas constituyen del 40 al 50% de la materia orgánica y están
representadas por los complejos de amino ácidos y proporcionan la mayor
parte de los nutrientes bacterianos. Aproximadamente un 50-60% de las
proteínas se encuentran disueltas en las aguas residuales y un 20-30% en la
fracción sedimentable. La materia carbonácea está representada por los
hidratos de carbono y que a su vez están constituidos por los almidones, los
azúcares y la celulosa, de esta materia carbonácea, los dos primeros son
fácilmente degradables.
Los porcentajes de hidratos de carbono que se encuentran en forma disuelta
y sedimentable son semejantes a las proteínas. Las grasas incluidas en los
ácidos grasos no suelen ser solubles y se degradan más lentamente.
En líneas generales, se considera que la composición de los residuos secos
de las aguas residuales en sus diversos constituyentes tienen los siguientes
porcentajes:
- Materia orgánica 50 %, mineral 50 %.
- Materia sedimentable 20 %, no sedimentable 80 %.
40
- Materia sedimentable orgánica 67 %, mineral 33 %.
- Materia no sedimentable orgánica 50 %, mineral 50 %.
De otra parte, las aguas residuales, estén o no diluidas con aguas de lluvia,
contienen elementos contaminantes que al ser descargados al curso receptor
pueden causar impacto ambiental y poner en riesgo la salud del hombre. Los
principales contaminantes que contiene el agua residual y que pueden estar
disueltos o suspendidos, se agrupan en:
- Materia orgánica con grado variable de biodegradabílidad.
- Compuestos nitrogenados de origen orgánico y/o mineral.
- Compuestos fosforados de origen mineral.
- Microorganismos compuestos por organismos saprofitos y
patógenos tales como helmintos, protozoos, bacterias y virus.
Este conjunto de características confiere al agua las propiedades siguientes:
a) Pestilente: Causados por la descomposición anaeróbica de la materia
putrescible.
b) Tóxico: Muchos compuestos orgánicos e inorgánicos tienen efectos
negativos sobre la flora y fauna.
c) Infectivo: La presencia de microorganismos patógenos confiere al
agua la propiedad de transmitir enfermedades de origen hídrico.
d) Estético: Modificación de la apariencia física ( EAAB. , 2010).
41
2.6.1. Tratamientos no convencionales de tratamiento de aguas
residuales
Existen diversos tratamientos no convencionales para aguas residuales
Estos tratamientos han demostrado ser potencialmente aplicables al
tratamiento de aguas residuales para su reutilización son:
Tecnología de membranas: La tecnología de filtración por membranas de
flujo-cruzado está logrando rápida aceptación mundial como una importante
etapa de producción en muchas líneas de procesos en la industria
alimenticia, láctea, farmacéutica/biotecnológica, de jarabes y edulcorantes.
La capacidad para producir separaciones muy específicas a baja o a
temperatura ambiente, sin cambio de fase, en muchas aplicaciones, hace
que la filtración por membranas sea superior a los métodos convencionales,
tales como la filtración rotativa al vacío o filtros prensa, siendo la solución
óptima que brinda una mejor relación costo/eficiencia. La filtración por
membranas es una tecnología basada en la presión.
Con una porosidad selectiva capaz de separar partículas de 5 micrones
hasta un peso molecular de 100. Las tecnologías incluidas en filtración por
membranas son:
Osmosis Inversa (RO) Proceso de alta presión altamente utilizado como un
método energéticamente eficiente para eliminar agua, concentrar
compuestos de bajo peso molecular o purificar efluentes. Como aplicaciones
comunes podemos mencionar la preconcentración de lácteos o de alimentos
líquidos previo a una evaporación, pulido de condensado de evaporador y
purificación de agua de proceso.
42
Nanofiltración (NF) Considerada como un proceso único entre la
ultrafiltración y la ósmosis inversa, especialmente diseñada para conseguir
separaciones específicas de compuestos de bajo peso molecular como
azúcares, minerales disueltos y sales. Aplicaciones típicas incluyen de-
salinización de productos lácteos, recuperación de proteínas hidrolizadas,
concentración de azúcares y purificación de tinturas y pigmentos solubles.
Ultrafiltración (UF) Es un paso de separación selectiva usada tanto para
concentrar como para purificar compuestos de medio y alto peso molecular
como ser proteínas lácteas, carbohidratos, y enzimas. Como áreas comunes
de aplicación podemos mencionar la concentración de proteínas de suero,
de-salinización de gelatinas y concentración y clarificación de jugos frutales.
Microfiltración (MF) Este tipo de filtración trabaja a baja presión para
separar partículas de alto peso molecular, coloides en suspensión o bien
sólidos disueltos. Aplicaciones frecuentes incluyen la separación de células
de extractos fermentados, fraccionamiento de proteínas de leche,
clarificación de jarabe de maíz y la recuperación de químicos de lavado CIP
(GEA, 2014).
Ozonización. Se estudia la aplicación del sistema ozono/agua oxigenada en
el tratamiento de aguas con alta concentración de contaminantes
emergentes y de sustancias prioritarias, como son las aguas procedentes de
centros hospitalarios, instalaciones agrícolas de cultivos intensivos, etc.
También se estudian nuevos procesos de ozonización utilizando
catalizadores meso estructurados basados en óxidos de titanio y
manganeso.
También se aplican otros materiales mesoporosos, como aluminosilicatos
MCM41 funcionalizados con metales de transición. Se estudiará el diseño de
reactores catalíticos más eficaces en procesos de descontaminación.
43
Adsorción: Se desarrollan procesos para tratar contaminantes tóxicos en
bajas concentraciones. Finalizada la operación, el adsorbente (carbón
activado, otros materiales hidrófobos) se somete a un proceso de desorción,
para regenerar el sólido, obteniéndose un efluente más concentrado tratable
mediante oxidación húmeda.
También se desarrollan adsorbentes específicos, para determinados metales
pesados especialmente tóxicos, basados en materiales mesoestructurados
funcionalizados, por ejemplo, mediante compuestos de azufre para retener
mercurio.
Fotocatálisis: Se comienza a explorar estos procesos para la desinfección
de aguas destinadas al consumo humano como tratamiento terciario en la
depuración de aguas residuales, dado que el poder oxidante de los radicales
permiten la inactivación de microorganismos y eliminación de olores.
Asimismo, se investigan tecnologías fotoelectrocatalíticas, en las que la
utilización simultánea de un potencial eléctrico incrementa la eficacia del
proceso.
Hidrodecloración: Se estudia el empleo de catalizadores metálicos
soportados sobre carbón activo para eliminar compuestos orgánicos
halogenados, utilizando hidrógeno y ácidos orgánicos de cadena corta como
reductores, así como la modificación de las propiedades superficiales y
texturales para mejorar la actividad catalítica y la selectividad hacia productos
menos tóxicos.
Tecnología electroquímica: Se estudia la utilización de materiales
electródicos novedosos (principalmente diamante conductor de la
electricidad) para el tratamiento de efluentes acuosos contaminados con
materia orgánica biorrefractaria (típicamente generados en industrias
44
químicas y petroquímicas), y en el uso de técnicas de electrocoagulación
para el tratamiento de efluentes contaminados con coloides (como muchos
de los procedentes de industrias agroalimentarias) o consistentes en
emulsiones O/W (siendo característicos los generados en industrias de
mecanizado de metales).
Procesos Fenton y Foto-Fenton: es usualmente utilizada cuando se
requiere una alta reducción de Demanda Química de Oxígeno. En este
proceso el reactivo de Fe(II) se oxida a Fe(III) descomponiendo el peróxido
de hidrógeno para formar radicales hidroxilo (ec. 1), el empleo de la radiación
UV-Vis incrementa el poder de oxidación principalmente por la foto-reducción
de Fe(III) a Fe(II) la cual produce más radicales hidroxilo (ec. 2) y de esta
forma se establece un ciclo en el reactivo de Fenton y se producen los
radicales hidroxilo para la oxidación de compuestos orgánicos (ec. 3);
adicionalmente es posible usar la radiación solar, lo que eliminaría el costo de la
radiación UV (Chen, Wu, Li, Zhu, & Dang, 2009; Abbas, Dupuy, & Kister,
2008).
Oxidación húmeda catalítica: Se estudian nuevos soportes: poliméricos,
residuos del procesado de minerales de Fe, etc. y nuevas configuraciones de
reactor empleando catalizadores estructurados, realizando un cambio de
escala de laboratorio a planta piloto.
El análisis conjunto de los tratamientos posibles, para un agua residual de
unas características determinadas, creará las sinergias necesarias para
impulsar las líneas de investigación de cada uno de los grupos, lo que
redundará en una mejora de la capacidad para llegar a la solución
tecnológica más adecuada y en un aumento de la oferta tecnológica y de
asesoramiento, hacia los sectores demandantes (Rodríguez, y otros, 2012).
45
2.7. TRATAMIENTO DE LODOS
Los lodos resultantes en el tratamiento de aguas residuales dependen del
tipo de planta de tratamiento y de la operación de ésta. En una planta de
aguas residuales domésticas, los lodos se generan principalmente en las
etapas de tratamiento primario y tratamiento secundario. Los lodos primarios
se producen en la sedimentación primaria, en la cual se remueven sólidos
sedimentables. La cantidad depende de la carga superficial o tiempo
hidráulico de retención. En la sedimentación primaria con químicos se
produce más lodo, producto de una mayor remoción y de la precipitación
química de la materia coloidal. Los lodos secundarios se producen en
procesos de tratamiento biológicos que convierten residuos o substratos
solubles en biomasa. También incluyen la materia particulada que
permanece en el agua después de la sedimentación primaria y que se
incorpora en la biomasa. La cantidad producida depende de varios factores:
eficiencia del tratamiento primario, relación de SST a DBO, cantidad de
sustrato soluble, remoción de nutrientes y criterios de diseño del tratamiento
(Limón, 2013).
Etapas:
1.- pre tratamiento: tiene como objetivo romper la emulsión, separar la parte
líquida de la sólida. Puede ser:
a) Tratamiento Químico.
b) Tratamiento térmico.
c) Elutriación (son lavados sucesivos).
46
2.- Separación definitiva de la parte liquida de la sólida.
a) Centrifugación: usando la fuerza centrífuga.
b) Sedimentación; usando la fuerza gravitatoria.
c) Flotación: usando aire.
3.- Estabilización: tiene como objetivo eliminar el carácter tóxico del lodo.
Técnicas:
a) Oxidación con cloro.
b) Precitación con oxido de calcio (CaO).
c) Tratamiento con calor.
d) Digestión aeróbica.
e) Digestión anaeróbica.
f) Compostaje o composteo: para convertir el lodo en abono orgánico
(fertilizante).
4.- Deshidratación: para reducir el volumen.
a) Aplicación de calor.
b) Secado por rociado. Rociado por dispersión en un área determinada.
c) Filtración.
47
5.- Oxidación catalítica:
a) Por incineración.
b) Por pirolisis.
6.- Disposición final, último destino que se le da al lodo después de eliminar
los contaminantes (García, 2010).
2.8. MÉTODOS DE ELIMINACIÓN DE METALES PESADOS EN LAS
AGUAS CONTAMINADAS
Los métodos utilizados en la actualidad con mucha frecuencia para la
eliminación de metales pesados de las aguas residuales son: la precipitación
química, el proceso redox, el intercambio iónico, los tratamientos
electroquímicos, los procesos de membrana, la extracción con disolventes, la
adsorción sobre carbón activado y la bioadsorción.
2.8.1. Operaciones físicas
Este tratamiento predomina la aplicación de fuerzas físicas; son conocidos
como unidades de operación física. Estos métodos evolucionaron por
observaciones directas del hombre en la naturaleza, fueron los primeros en
ser usados para el tratamiento de las aguas residuales. Estos métodos son
típicamente; tamizado, mezclado, floculación, sedimentación, flotación,
filtración y transferencia de gas.
El objetivo es separar, del agua residual, aquellos contaminantes con
diferentes densidades que flotarán o sedimentarán.
48
Este tratamiento remueve típicamente el 60 % de los sólidos suspendidos, el
35 % de la DBO5, material inmiscible (aceite, espuma). Los contaminantes
solubles no son removidos (Eilbeck, 1987).
2.8.2. Procesos químicos
Este tratamiento implica la utilización de sustancias químicas para remover o
convertir los contaminantes. Los ejemplos más comunes son precipitación,
absorción y desinfección.
Entre los más comunes se citan las siguientes técnicas.
1. Elevación del pH (11) por adición de cal.
2. Utilización de resinas de intercambio catiónico.
3. Electro disposición o electrodiálisis: osmosis o intercambio iónico.
4. Cementación: hacer reaccionar un ión metálico con un metal fácilmente
oxidable (Eilbeck, 1987).
2.8.3. Procesos biológicos
A lo largo de la del tiempo el hombre ha desarrollado métodos de
tratamiento de aguas residuales en los cuales la remoción de los
contaminantes se lleva a cabo mediante actividad biológica son conocidos
como unidades de procesos biológicos. Las aguas residuales también
pueden ser regeneradas mediante la utilización de microorganismos para la
promoción del proceso de regeneración del agua.
49
En dicho tratamiento, sea éste aeróbico o anaeróbico, los microorganismos
descomponen la materia orgánica en compuestos más simples como nitratos
y fosfatos liberando dióxido de carbono (Tchobanoglous & Burton, 1991).
Este método se usa, principalmente para remover las sustancias orgánicas
biodegradables (coloidales o disueltas) en el agua residual (básicamente las
sustancias son convertidas en gases que pueden escapar a la atmósfera y
tejido celular biológico que puede ser removido mediante sedimentación). Su
propósito es remover la DBO5 soluble que escapa del proceso primario y
provee una remoción adicional de los sólidos suspendidos. Este tratamiento
provee las mismas reacciones biológicas que pudieran ocurrir en un cuerpo
de agua receptor si éste tuviera una capacidad adecuada para asimilar el
agua residual.
Este tratamiento está diseñado para acelerar estos procesos naturales de
modo que la descomposición de los contaminantes orgánicos degradables
puede ser alcanzada en periodos cortos de tiempo.
Ciertos tipos de microorganismos como los cimógenos reducen la materia
orgánica en estados solubles, mientras que otros consumen estos nutrientes,
produciendo grandes cantidades de antioxidantes.
Por medio de la acción de los microorganismos y condiciones específicas, se
puede lograr la eliminación del amoniaco y nitrato, así como también por
medio de otras bacterias como la Acinetobacter se puede lograr la
eliminación del fósforo (Higa, 2002).
Los sistemas de tratamiento biológico de agua se pueden realizar en
condiciones tanto aeróbicas como anaeróbicas.
50
El sistema de tratamiento aeróbico de aguas residuales consiste en la
utilización de oxígeno con bacterias oxígeno-dependientes que
descomponen la materia orgánica. En el anaeróbico se utilizan
microorganismos que no necesitan oxígeno para el desarrollo metabólico
(TECNUN, 2005).
2.9. PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE ADSORCIÓN
2.9.1. Influencia del pH en la Adsorción
El pH de la solución es el factor más importante en la adsorción de
cationes como de aniones, siendo el efecto distinto en ambos casos. Así,
mientras que la adsorción de cationes suele estar favorecida para valores de
pH superiores a 4,5, la adsorción de aniones prefiere un valor bajo de pH,
entre 1,5 y 4 (Kuyucak &Volesky, 2008). Existen tres vías de influencia del
pH en la adsorción del metal:
1. El sitio activo del descontaminante interacciona con el catión metálico y la
superficie polar o cargada del adsorbente, en este caso los microporos del
carbón varían de pH.
Cuando el grupo de unión del metal es débilmente ácido o básico, la
disponibilidad del sitio libre depende del pH.
El logaritmo de la constante de disociación del ácido conjugado (pKa) podría
ser uno de los parámetros clave para la determinación del pH óptimo para
ocupar los sitios activos.
2. Las variaciones bruscas de pH, como los empleados para la regeneración
del carbón activo, dañan la estructura del descontaminante carbón, creando
51
pérdidas significativas de peso y el descenso en la capacidad de adsorción,
son algunos de los efectos observados por diversos investigadores.
3. la formación de nuevas especies químicas del metal en solución depende
del pH de la solución, ya que los metales en soluciones acuosas se
encuentran como iones hidrolizados a pH bajos, especialmente aniones de
metales de carga alta y tamaño pequeño (Schiewer, 2008).
2.9.2. Tiempo de equilibrio en la adsorción
El proceso de adsorción del metal pesado se ha evaluado mediante la
utilización de isotermas que describen el equilibrio del proceso. Los modelos
de Langmuir y Freundlich son los más utilizados para describir con éxito el
equilibrio de adsorción; cuando se trabaja con residuos lignocelulósicos.
Para eliminar metales pesados, la retención aumenta inicialmente de una
manera lineal con la concentración en el equilibrio; esta retención está
limitada por el número de sitios activos y, por tanto, llega a alcanzarse una
meseta, que no es más que aquel tiempo a partir del cual el adsorbente, por
más que se mantenga en contacto con la solución, ya no produce más
adsorción (Volesky, 1990).
2.9.3. Efecto de la dosis de adsorbente en la adsorción
La relación g/L de adsorbente es el factor que limita el proceso en el caso
de metales como el plomo, es decir a mayor cantidad de adsorbente,
obtiene una mayor adsorción.
52
2.10. RESIDUOS AGROINDUSTRIALES USADOS PARA LA REMOCIÓN
DEL PLOMO Y CROMO
Los residuos agroindustriales utilizados para la bioadsorción de plomo y
cromo son: los residuos lignocelulósicos (Hamadi, 2001), la desechos de la
soja (Daneshvar, 2002), el aserrín de arce (Jiayu, 2003; Garg, 2004), la
cáscara de bengala (Ahalya, 2005), la cáscara de maní (Dubey, 2006), las
agujas de pino, la corteza de pino, la piña, las hojas de roble, el aserrín, la
cáscara de nuez, la cascará de cacahuate, la paja de arroz , la cáscara de
arroz, la cáscara de plátano, los residuos de té verde, la biomasa de hongos
de Rihizopus, las algas marinas, la biomasa de Ecklonia, Sargassym y
Enteromorpha (Park, 2007), el carbón activado a partir de un material
lignocelulósico por tratamiento térmico (Alvarez, Blanco, & Granda, 2007), el
salvado de trigo (Nameni, 2008), las hojas de café (Higuera, 2009), las hojas
de la Talinum triangulare , la semilla de Annonasqumosa ; entre los dos
bioadsorbentes que reportan gran capacidad de remoción de plomo y cromo
hexavalente son la cáscara de banano y las algas marinas.
2.10.1. Generalidades de la cáscara de banano
La cáscara de banano es un compuesto lignocelulósico compuesta de:
celulosa, hemicelulosa y lignina pero su composición varía con el origen del
material. La cáscara de banano maduro es el material lignocelulósico, que
representa alrededor del 40 % del peso total de la fruta. (Monsalve, Medina,
& Ruiz, 2006.).
53
Tabla 2.3. Composición química de la cáscara de banano
COMPONENTES CÁSCARA DE BANANO
(% base seca)
Almidón 39,89
Humedad 89,1
Hemicelulosa 14,8
Celulosa 13,2
Lignina 14
Magnesio 0,16
Calcio 0,26
Cenizas 11,37 Fuente: (Monsalve, Medina, & Ruiz, 2006.).
Celulosa: es un homopolisacarido de cadenas largas sin ramificaciones de
β-D-glucosa; se distingue del almidón por tener grupos -CH2OH alternando
por arriba y por debajo del plano de la molécula. La ausencia de cadenas
laterales permite a las moléculas de celulosa acercarse unas a otras para
formar estructuras rígidas.
Figura 2. 3. Fórmula química de la celulosa
Fuente: (Méndez, 2008)
Hemicelulosa: es un heteropolisacarido, formado por glucosa, xilosa,
arabinosa, excluyendo la celulosa, constituyen las paredes celulares de las
plantas y se pueden extraer mediante hidrolisis acido o enzimática. Las
hemicelulosas forman aproximadamente una tercera parte de los
carbohidratos en las partes leñosas de las plantas.
54
Su estructura química consiste de cadenas largas con una gran variedad
de pentosas, hexosas, y sus correspondientes ácidos urónicos.
Figura 2.4. Fórmula química de la hemicelulosa
Fuente: (Tapia, 2003.)
Pectina: son polímeros ácidos y neutros muy ramificados. Constituyen el 30
% de masa seca de la pared celular primaria de las células vegetales.
Determinan la porosidad de la pared y, por tanto, el grado de disponibilidad
de los sustratos de las enzimas implicadas en las modificaciones de la
misma. Las pectinas, también, proporcionan superficies cargadas que
regulan el pH y balance iónico.
Figura 2 .5. Fórmula química de la pectina
Fuente: (Tapia, 2003.)
55
3. MATERIALES Y MÉTODOS
3.5. UBICACIÓN DEL ENSAYO
La presente investigación se realizó en la empresa CONFOCO S.A. ubicada
en la parroquia La Peaña perteneciente al cantón Pasaje, situada entre las
coordenadas: Latitud 3º18`52,12” Sur; Longitud 79º50`55,89” Oeste. Msnm
23; Temperatura ambiente 25ºC.
A continuación en la figura 3.6 se muestra la ubicación de la parroquia La
Peaña donde está situada CONFOCO. S.A.
Figura 3.6. Ubicación geográfica de la parroquia La Peaña.
Fuente: GAD provincial de El Oro, 2014.
56
3.6. DISEÑO EXPERIMENTAL
El diseño del experimento fue considerado parte fundamental del proceso de
bioadsorción del plomo y cromo en una agua sintética, conociendo acerca
de la funcionalidad del proceso mediante el análisis estadístico de los datos
obtenidos (Montgomery, 2000).
3.6.1. Tipo de Investigación
La presente investigación fue un trabajo descriptivo - experimental.
3.6.2. Diseño del Experimento
El diseño de la investigación describe situaciones que se observan y define
el tratamiento que resulte estadísticamente significativo aplicado a la
retención de los metales pesados (cromo y plomo) por parte de cáscara de
banano maduro en polvo. Se realizaron 27 experimentos, correspondientes a
un diseño experimental factorial de dos factores multiplicado por tres niveles
cada uno (3 x 3) completamente al azar, resultante de considerar dos
factores (concentración de la cáscara de banano maduro en polvo y tamaño
de la partícula de la misma) y 3 niveles para cada factor, como se detalla en
la siguiente Tabla 3.4.
57
Tabla 3.4. Diseño experimental de la bioadsorción de cromo y plomo
mediante cáscara de banano maduro en polvo.
g/L de harina de
cáscara de banano
(Factor A)
Tamaño de partícula (micras) Factor B
B1= 250 µm B2= 400 µm B3=841 µm
A1=10 g/L A1*B1 A1*B2 A1*B3
A2=15 g/L A2*B1 A2*B2 A2*B3
A3= 20 g/L A3*B1 A3*B2 A3*B3
Fuente: Bismark, Castro, 2014.
Factor A: Concentración de la cáscara de banano maduro en polvo (g/L).
Factor B: Tamaño de partícula (µm).
An+Bn = Porcentaje de los metales pesados retenidos.
A continuación se resumen y codifican los tratamientos resultantes del diseño
experimental:
A = 10 g/L HCBM, 250 µm.
B = 10 g/L HCBM, 400 µm.
C = 10 g/L HCBM, 841 µm.
D = 15 g/L HCBM, 250 µm.
E = 15 g/L HCBM, 400 µm.
F = 15 g/L HCBM, 841 µm.
G = 20 g/L HCBM, 250 µm.
H = 20 g/L HCBM, 400 µm.
I = 20 g/L HCBM, 841 µm.
58
Inicialmente se tomaron muestras del agua sintética (agua destilada + 50
ppm de cromo y 50 ppm de plomo) con cromo y plomo cada, 8 horas. Las
muestras tomadas fueron inmediatamente filtradas. El filtrado se utilizó para
determinar la concentración de los metales pesados mediante
espectrofotometría de absorción atómica.
3.7. VARIABLES
3.7.1. Variables Dependientes
A continuación en la tabla 3.5 se muestra la variable dependiente del proceso
de bioadsorción de plomo y cromo.
Tabla 3.5. Variables dependientes del proceso
Variable Definición Unidades
% de bioadsorción de
plomo y cromo (VI)
Capacidad de adsorción de plomo
y cromo por gramo de biosorbente ppm
Fuente: Bismark, Castro, 2014.
3.7.2. Variables Independientes
Tabla 3.6. Variables independientes del proceso
Variable Definición Unidades
Concentración del
bioadsorvente
Cantidad del bioadsorbente
presente en un litro de solución g/L
Tamaño de la
partícula Dimensiones de la partícula µm
pH Niveles de acidez y alcalinidad pH
Temperatura Contenido de la energía ºC
Fuente: Bismark, Castro, 2014.
59
3.8. CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE LA HARINA DE
CÁSCARA DE BANANO
Para la caracterización del material bioadsorbente se realizó un
pretratamiento, con el fin de retirar las impurezas u otros compuestos que
pudieran afectar el proceso de adsorción; fue necesario someter la cáscara
a un lavado, reducción del tamaño y secado.
3.8.1. Preparación del bioadsorbente de la cáscara de banano.
3.8.1.1. Obtención de la cáscara de banano
Se tomaron cáscaras de banano de la empresa CONFOCO S.A., que usa
banano maduro para la elaboración de puré de banano y flakes.
3.8.1.2. Preparación de la cáscara de banano maduro
La cáscara de banano, fue recolectado en cantidad suficiente para luego ser
sometido a las etapas que se describen a continuación, las cuales
permitieron la adecuación y el tratamiento de la cáscara, que posteriormente
fue caracterizada.
Selección: se tomó aquella cáscara en óptimo estado de madurez para
evitar su descomposición pronta y garantizar una operación de secado con
material en condiciones adecuadas.
Se recolecto una muestra inicial de 500 kilogramos de cáscara de banano
maduro, lo cual tuvo un15 % de rendimiento al elaborar la harina de cáscara
de banano. Las cáscaras fueron troceadas mediante molienda mecánica en
pequeños trozos de aproximadamente 0,5 cm2 de superficie, esto con el fin
de facilitar su manipulación en las etapas posteriores.
60
Limpieza: las cascaras, se sometió a un lavado con abundante agua
destilada a una temperatura de 50°C y agitación magnética durante 30 min,
con el fin de eliminar impurezas y compuestos solubles tales como: taninos,
látex, azúcar- reductora y residuos de pulpa.
Molienda: esta operación se lo realizó en un molino con agujeros de 500
µm, con la adición de agua para facilitar el bombeo a través del sistema.
Secado: la masa pastosa resultante de la molienda fue sometida al
secado, utilizando tambores secadores, a una temperatura de 130°C en una
operación continua obteniendo un producto seco con un 2,5 a 4 % de
humedad; el cual fue de 75 kilogramos, este equivale a un 15 % de masa
inicial.
Reducción y clasificación por tamaños: con el fin de obtener polvos
homogéneos para reducir el tamaño del material, se usó un molino de
cuchillas, marca Fitz mil, en una operación continúa hasta obtener partículas
pequeñas de cáscara de banano. Se tamizo el material mediante una serie
de tamices, con los siguientes tamaños de partícula: 841 µm, 400 µm, 250
µm, correspondiendo a mallas # 20, 35 y 57, según la norma ASTM,
respectivamente.
3.8.2. Caracterización de la cáscara de banano maduro
Una vez obtenida la harina de cáscara de banano, se procedió a la
caracterización de la misma. Esta caracterización consistió en determinar los
elementos y compuestos orgánicos presentes en la cáscara de banano, para
lo cual, se llevaron a cabo diferentes métodos analíticos, como se muestra
en la tabla 3.7:
61
Tabla 3.7. Determinación de elementos y compuestos orgánicos en la
cáscara de banano maduro.
Parámetros Métodos
Carbono, (%) AOAC 949.14
Hidrogeno, (%) AOAC 949.14
Nitrógeno, (%) AOAC 984. 13
Cenizas Termo gravimetría
Grupos Funcionales de la cáscara
de banano
Espectroscopia de
infrarrojo
Fuente: Bismark, Castro, 2014.
3.9. EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ADSORCIÓN DE LA
CÁSCARA DE BANANO PARA LA REMOCIÓN DEL PLOMO Y
CROMO (VI).
Para la evaluación de la capacidad de adsorción del material bioadsorbente,
se procedió en primera instancia, a la preparación del agua sintética de
acuerdo a las concentraciones de cromo y plomo presentes en las aguas
reales industriales, reportadas en la literatura. A partir de esto se realizaron
los ensayos de adsorción usando la cáscara de banano como biosorbente.
3.7.1. Preparación del agua residual sintética
Las soluciones del agua sintética residual fueron preparadas con el patrón de
plomo y cromo (VI), basados en la concentración que se encontró en la
caracterización de las aguas residuales reales; se utilizó un patrón de plomo
con una concentración de 100 mg/L de Pb y un patrón de cromo (VI) con una
concentración de 50 mg/L.
62
3.7.2. Ensayos de bioadsorción
Este ensayo se lo llevo a cabo mediante procesos en discontinuo a
temperatura ambiente. El sólido adsorbente, se determinó su masa e
introdujo en un bioreactor, que previamente contenía agua sintética de
cromo y plomo a la concentración de 50 ppm. La mezcla se homogenizo
mediante agitación magnética, durante una hora.
Finalizado el proceso, se determinó la concentración del metal presente en la
fase líquida mediante absorción atómica, y través de un balance de masa, se
calculó las concentraciones del cromo y plomo retenidas por la harina de
cáscara de banano maduro; utilizando la expresión matemática indicada
mediante la siguiente ecuación:
Dónde:
C0 = ppm inicial del cromo y plomo en la disolución.
Cf= ppm finales de cromo y plomo en la disolución
V0= volumen inicial de disolución (L)
Vf= volumen final de disolución (L)
g = masa de bioadsorbente utilizada en los ensayos.
63
3.8. PARÁMETROS
3.8.1. Relación (g/L)
Con el propósito de establecer la relación adecuada de masa de sólido
adsorbente y volumen de disolución acuosa metálica, se realizó una serie de
experimentos con la cáscara de banano de tamaño de partículas 250, 400 y
841 µm, en concordancia con la bibliografía consultada. En un recipiente de
vidrio de 1000 ml, se colocaron el sólido adsorbente y la disolución de cromo
(VI) y plomo, de 50 ppm de concentración; la mezcla fue sometida a
agitación magnética, en que se estudiaron la relación masa de
cáscara/volumen de disolución metálica entre 10, 15 y 20 g/L, para un total
de 9 pruebas .
Los experimentos se llevaron a cabo a temperatura ambiente. Transcurrido el
tiempo de contacto, se separaron las fases mediante filtración; se determinó, en
el líquido, la concentración del metal remanente.
3.8.2. Tamaño de partícula
De acuerdo a la bibliografía consultada se recomienda un tamaño de
partícula en el intervalo de 300 a 600 µm, para la remoción eficiente de
cromo y plomo de las aguas residuales. Para fines de la investigación se
usaron tamaños de 250, 400 y 841 µm. Los experimentos, se realizaron
colocando, en contacto durante 48 horas, cierta cantidad de cada fracción de
harina de cáscara de banano con 1000 ml de disolución de cromo y plomo
de concentración 50 ppm. Una vez concluido el experimento, se tomaron las
muestras correspondientes, las cuales fueron analizadas de igual forma por
el espectrofotómetro de adsorción atómica AA-6300 SHIMADZU.
64
3.9. MÉTODOS DE ANÁLISIS UTILIZADOS PARA LA
DETERMINACIÓN DE PLOMO Y CROMO (VI)
3.9.1. Digestión ácida
Las muestras de agua contaminada, se llevaron a digestión ácida de
acuerdo a lo descrito en el método 3010A de la EPA (1992). Primero, se
transfirió una alícuota representativa de 50 mL de la muestra, bien mezclada,
en un tubo digestor y agregaron 1,5 mL de HNO3 concentrado. Se puso, a
reflujo a una temperatura de 120 °C por 2 horas hasta ebullición lenta en un
sistema de digestión Buchí (Buchí Digest System K-437). Se destapó la
muestra y dejó evaporar hasta tener un volumen aproximado de 5 mL. Se
llevó a temperatura ambiente y adicionaron 0,5 mL de HCl 1:1 acuoso. Se
volvió a cubrir el tubo y se puso a reflujo, por 15 minutos adicionales, para
disolver algún precipitado o residuo resultante.
Con una solución de HNO3 acuoso al 2 % V/V, se lavaron las paredes de los
tubos y aforó cada muestra a 50 mL. Por último, se filtraron las muestras
para eliminar los silicatos y otros sólidos presentes en la muestra final.
3.10. MATERIALES Y EQUIPOS
A continuación, se detallan los equipos, los materiales y la metodología
empleada en el estudio de adsorción
3.10.1. Equipos
- Una Balanza analítica 0.001 g
- Un Medidor de pH/iones
- Una Mufla.
65
- Un Agitador magnético
- El espectrofotómetro Shimadzu UV 1700.
- El tamizador tipo Shaker
- Un Molino de cuchillas
3.10.2. Materiales
- Balones aforados de 25 - 50 - 100 - 500 -1000 mL.
- Vasos de precipitación 100 mL.
- Embudos de vidrio
- Erlenmeyer de 50 mL
- Papel filtro Whatman N° 40
- Picetas
- Pipetas graduadas de 5 y 10 mL
- Soporte de embudo
- Tamiz de acero inoxidable de malla # 20, 35 y 57 de acuerdo a la norma
ASTM
- Harina de cáscara de banano.
66
3.10.3. Reactivos
- Ácido clorhídrico al 0.1 N.
- Hidróxido de sodio.
- Dicromato de potasio.
- Agua destilada.
- Agua des ionizada.
- Patrones de plomo y cromo, marca HACH.
67
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.7. CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA (HARINA DE
CÁSCARA DE BANANO)
Los resultados obtenidos del análisis elemental de la harina de cáscara de
banano maduro, para el C, H y N se registran en la figura 4.6, donde se
observa que el elemento en mayor porcentaje presente en la cascara de
banano es el carbono con un 42,04 %. Por el contrario el contenido del
azufre es de 0,1 ppm y las cenizas representan el 1,26 % de la cáscara de
banano estudiada.
Figura 4.7. Análisis elemental de la harina de cáscara de banano maduro.
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
Carbono Hidrógeno Nitrógeno
45,4 %
3,94 %1,1 %
68
La adsorción del plomo y cromo por parte de la cáscara de banano, es
favorecida por el porcentaje alto del carbono presente en la cáscara de
banano; de igual forma los porcentajes de hidrógeno, nitrógeno y cenizas
que contiene, se encuentra dentro del rango reportado.
4.8. DETERMINACIÓN DE GRUPOS LOS FUNCIONALES PRESENTES
EN LA HARINA DE CÁSCARA DE BANANO MADURO, MEDIANTE
ESPECTROFOTOMETRÍA DE INFRARROJO
La presencia de grupos funcionales responsables de la bioadsorción de los
metales pesados (plomo y cromo), en la harina de cáscara de banano
maduro, se la realizo mediante espectroscopia de infrarrojo por transformada
de Fourier (FITR) (ver anexo 15). La técnica de espectroscopia de infrarrojo
por transformada de Fourier (FITR), se puede aplicar para la identificación de
grupos funcionales superficiales orgánicos, lo que es importante para
conocer, de manera general, la estructura química del biosorbente. Esta
técnica puede aplico para determinar la identidad y los estados de
protonación de grupos funcionales orgánicos presentes en un harina. En
investigaciones similares otros investigadores han encontrado diferentes
grupos funcionales presentes en diversos biosorbentes, como carboxil,
carbonil, sulfidril, fosfato e hidroxil, grupos que pueden contribuir a enlazar el
contaminante (Junxiong, Longzhe, Yanxin, & Chengfu, 2009).
A continuación en la figura 4.8, se muestran los espectros de infrarrojo para
la harina de cáscara de banano maduro (FTIR); para ver los espectros se
muestra unos picos muy anchos, lo cual indica la naturaleza compleja del
material adsorbente.
69
Figura 4.8. Espectrofotometría de infrarrojo de la cáscara de banano maduro
usada para el proceso de adsorción de plomo y cromo.
Fuente: Espectrometría de infrarrojo, LQA - Espol, 2014.
En la figura 4.8 se ve el pico ancho e intenso a 3240,16/cm, mostrado en el
espectro de la cáscara de banano maduro, esto es un indicativo del
estiramiento de grupos hidroxilo.
Los picos a 3500-2500/cm muestran las vibraciones de la celulosa, la
pectina, el agua absorbida, la hemicelulosa y la lignina. El pico observado a
2918,39 /cm se puede atribuir a las vibraciones C-H del estiramiento metilo,
metileno y grupos metoxi. Los picos alrededor de 1729,96/cm; en el espectro
de la harina de la cáscara de banano maduro corresponden al estiramiento
carbonilo C=O que indica la vibración de los grupos carboxilo de pectina,
hemicelulosa y lignina en la cáscara estudiada.
70
4.9. COMPORTAMIENTO DEL OXÍGENO DISUELTO DURANTE EL
TIEMPO DE BIOADSORCIÓN DEL PLOMO Y CROMO
A continuación en la figura 4.8, se muestra que la concentración de oxígeno
disuelto disminuye a niveles cercanos a cero, lo cual indica que al iniciar el
proceso de bioadsorción, comienza a disminuir la concentración de oxígeno
disuelto; esta disminución del oxígeno disuelto favorece al proceso, ya que
podría secuestrar los e-, formando ion superóxido y compitiendo con el Pb (II)
y Cr (VI), con un resultado negativo para la reducción de estos metales
(Siemon, 2000).
Figura 4.9. Comportamiento del oxígeno disuelto de los 9 tratamientos
durante el tiempo de bioadsorción
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
0 8 16 24 32 40 48
0
1
2
3
4
5
6
7
Variación del Oxigeno Disuelto Durante el Tiempo de Bioadsorción de Plomo y Cromo
A= 10 g/L cáscara, 250 µm
B= 10 g/L cáscara, 400 µm
C= 10 g/L cáscara, 841 µm
D= 15 g/L cáscara, 250 µm
E=1 5 g/L cáscara, 400 µm
F= 15 g/L cáscara, 841 µm
G= 20 g/L cáscara, 250 µm
H= 20 g/L cáscara, 400 µm
I= 20 g/L cáscara, 841 µm
Oxig
en
o D
isu
elt
o (
mg
/L)
Tiempo (horas)
71
4.10. COMPORTAMIENTO DEL pH DURANTE EL TIEMPO DE
BIOADSORCIÓN DEL PLOMO Y CROMO
La figura 4.10 muestra el comportamiento del pH durante el proceso de
bioadsorción, en todos los tratamientos(A, B, C, D, E, F, G, H e I); el pH
desciende y, de esta forma, se incrementa la concentración de los protones,
condición favorable para la captación del plomo y cromo (Rao et al., 1992).
La adsorción del plomo y cromo, por parte del material bioadsorbente, el
valor de pH óptimo para la bioadsorción de metales pesados está en el
rango de 5,5 - 8,0 (Shibi, 2007).
Figura 4.10.Comportamiento del pH de los nueve tratamientos durante el
tiempo de bioadsorción.
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
El pH de la mezcla, agua sintética con plomo y cromo en concentraciones de
50 ppm y harina de cáscara de banano maduro (HCBM), desciende en los 9
0 8 16 24 32 40 48
5,4
5,7
6,0
6,3
6,6
6,9
Variación del pH Durante el Tiempo de Bioadsorción de Plomo y Cromo
A= 10 g/L cáscara, 250 µm
B= 10 g/L cáscara, 400 µm
C= 10 g/L cáscara, 841 µm
D= 15 g/L cáscara, 250 µm
E=1 5 g/L cáscara, 400 µm
F= 15 g/L cáscara, 841 µm
G= 20 g/L cáscara, 250 µm
H= 20 g/L cáscara, 250 µm
I= 20 g/L cáscara, 841 µm
pH
Tiempo (horas)
72
tratamientos estudiados; tal es el caso de los tratamientos A ( 6,9 – 5,4), B
(6,6 – 5,7), C (6,9 – 5,9), D (6,6 – 5,7), E (6,6 – 5,7), F (6,7 – 5,7), G (6,65 –
5,8), H (6,3 – 5,4) e I (6,4 – 5,6), lo cual evidencia que a valores más bajos
de pH, aumenta el porcentaje de remoción de los bioadsorbente; sin
embargo, estos residuos lignocelulósicos al ser sometidas a un medio muy
acido, corren el riesgo de deteriorarse, por lo cual no se podría pensar en sus
reutilizaciones.
Al cabo de 48 horas del proceso de bioadsorción de metales pesados la
harina de cáscara de banano se precipita lo cual hace imprescindible la
agitación constante, con el riesgo que ocurra la desorción del plomo y el
cromo.
4.11. PORCENTAJE DE BIOADSORCIÓN DE PLOMO
En la Figura 4.11, se presentan los resultados obtenidos en el estudio de la
influencia de la masa de la harina de cáscara de banano maduro con
respecto al volumen de la fase acuosa. Se observa que en todos los casos,
la cantidad de metal adsorbido aumenta rápidamente al aumentar la relación
sólido/líquido hasta una relación de 20 g/L.
La cantidad de adsorbente es el factor que va a limitar hasta cierto punto la
concentración del metal que se adsorbe; es decir, a mayor cantidad de
adsorbente, mayor adsorción.
73
Figura 4.11: Bioadsorción de plomo por la harina de cáscara de banano
maduro.
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
De acuerdo a la figura 4.11 a mayor concentración de harina de cáscara de
banano en el medio acuoso, mayor porcentaje de retención de plomo, tal es
el caso que el tratamiento con una concentración de 10 g/L de harina de
cáscara de banano maduro (HCBM) a un tamaño de partícula de 250 µm
alcanzan el porcentaje más alto (80 %) de retención del plomo. La
dependencia de la adsorción de metal (plomo) del pH sugiere que los grupos
ácidos carboxílicos débiles R-COO– (pKa varía entre 3,5 – 5,5) de HCBM-
COOH son los sitios probables de adsorción.
62,00
64,00
66,00
68,00
70,00
72,00
74,00
76,00
78,00
80,00
82,00
A= 10 g/L
HCBM, 250 µm
B= 10 g/L
HCBM, 400 µm
C= 10 g/L
HCBM, 841 µm
D= 15 g/L
HCBM, 250 µm
E=1 5 g/L
HCBM, 400 µm
F= 15 g/L
HCBM, 841 µm
G= 20 g/L
HCBM, 250 µm
H= 20 g/L
HCBM, 400 µm
I= 20 g/L
HCBM, 841 µm
% d
e b
ioad
sorc
ión
Bioadsorción de Plomo (Pb)
74
A un pH de menos de 5,5 el metal predominante [Pb 2+] es cargado
positivamente y, por lo tanto, la adsorción de los metales a un pH inferior a
5,5 es un proceso de intercambio de H+–Pb4+, tal como muestra en la
siguiente fórmula.
2 HCBM-COOH + Pb 2+ (HCBM-COOH)2Pb + 2H+
La preferencia relativa para Pb (II) puede ser explicada por la estabilidad alta
de los complejos formados por los cationes de este metal con carboxilato en
el HCBM-COOH en comparación con aquellos formados por Co (II), Hg (II) y
Cd (II) (Salvadó, Butí, Ruiz, Emerich, & Pradell, 2008).
4.11.1. Análisis estadístico de la bioadsorción de plomo
El análisis de la varianza (ANOVA) fue el método para comparar las medias
de los 9 tratamientos, lo cual estuvo muy ligado al diseño de experimental y
de esta manera, es la base del análisis multivariante y una de las formas de
optimizar el proceso de bioadsorción de los metales pesados. (Caballero,
Ruiz, & Aracil, 2010).
75
Tabla 4.8. Análisis de varianza de la bioadsorción de plomo (Pb) en los
nueve tratamientos estudiados
Análisis ANOVA de los 9 Tratamientos Aplicados a la
Bioadsorción Plomo
Fuente Media Varianza N
A= 10 g/L cáscara, 250 µm 80,07 3,06 3
B= 10 g/L cáscara, 400 µm 72,91 7,69 3
C= 10 g/L cáscara, 841 µm 75,91 3,25 3
D= 15 g/L cáscara, 250 µm 80,01 0,58 3
E=1 5 g/L cáscara, 400 µm 68,27 9,85 3
F= 15 g/L cáscara, 841 µm 73,64 1,68 3
G= 20 g/L cáscara, 250 µm 80,00 16,17 3
H= 20 g/L cáscara, 400 µm 78,01 0,01 3
I= 20 g/L cáscara, 841 µm 76,82 11,40 3
F = 8,04
p=1,30084E-4
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
Al realizar el análisis de la varianza, se observó si existe diferencia
estadísticamente significativa (p<0,05) en la bioadsorción del plomo por parte
de la harina de cáscara de banano maduro; entre los 9 tratamientos
estudiados, el tratamiento A alcanza la mayor media en el porcentaje de
bioadsorción (80,07 %).
76
A menor tamaño de partícula mayor bioadsorción, tal como lo demuestran los
tratamientos cuyo tamaño de partícula es de 250 µm (tratamientos A =
80,07%, D = 80,01% y G = 80,00%); en este caso no existe interacción entre
el tamaño de partícula y la concentración de la cáscara.
A continuación se presenta la tabla 4.9 donde se muestra la desviación
estándar del experimento.
Tabla 4.9. Desviación estándar del experimento de plomo
Tratamientos Media Desviación estándar
A= 10 g/L cáscara, 250 µm 80,07 ± 1,75
B= 10 g/L cáscara, 400 µm 72,91 ± 2,77
C= 10 g/L cáscara, 841 µm 75,91 ± 1,80
D= 15 g/L cáscara, 250 µm 80,01 ± 0,76
E=1 5 g/L cáscara, 400 µm 68,27 ± 3,13
F= 15 g/L cáscara, 841 µm 73,64 ± 1,29
G= 20 g/L cáscara, 250 µm 80,00 ± 4,02
H= 20 g/L cáscara, 400 µm 78,01 ± 0,09
I= 20 g/L cáscara, 841 µm 76,82 ± 3,37
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
La tabla 4.9 muestra las desviaciones estándar de los 9 tratamientos
estudiados, determinando los tratamientos en los cuales, se obtuvieron
mayor precisión en la obtención de los resultados; el tratamiento H (± 0,09)
fue con menor desviación estándar y, por ende, porcentaje menor de error
experimental.
77
4.12. PORCENTAJE DE BIOADSORCIÓN DE CROMO
En la Figura 4.12, se presentan los resultados obtenidos en el estudio de
bioadsorción de la masa de harina de cáscara de banano maduro (HCBM)
con respecto al volumen de la fase acuosa.
Figura 4.12: Bioadsorción de cromo por la harina de cáscara de banano
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
Se ve en la figura 4.12, que el porcentaje de la bioadsorción del cromo por la
harina de cascara de banano no es influenciado por la concentración pero si
por el tamaño de partícula del bioadsorvente. Tal es el caso del tratamiento
A (10 g/L de HCBM, 250 µm) alcanza el mayor porcentaje de retención del
cromo (58,2 %).
La comparación de la adsorción de los metales en el HCBM-COOH con los
datos de la literatura indica, que la capacidad de adsorción del HCBM-
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
A= 10 g/L
HCBM, 250 µm
B= 10 g/L
HCBM, 400 µm
C= 10 g/L
HCBM, 841 µm
D= 15 g/L
HCBM, 250 µm
E=1 5 g/L
HCBM, 400 µm
F= 15 g/L
HCBM, 841 µm
G= 20 g/L
HCBM, 250 µm
H= 20 g/L
HCBM, 400 µm
I= 20 g/L
HCBM, 841 µm
% d
e B
ioa
ds
orc
ión
de
Cro
mo
Bioadsorción de cromo (Cr)
78
COOH es mucho mayor que la de otros adsorbentes como el carbón
activado, la resina de intercambio de iones, la pulpa de remolacha, la
cáscara de nuez de Brasil, el aserrín y el compuesto curdlan-carbón activado
(El-Shafey, Cox, Pichugin, & Appleton, 2002).
4.12.1. Análisis estadístico de la bioadsorción de cromo
Tabla 4.10: Análisis de varianza de la bioadsorción de cromo (Cr) en los 9
tratamientos estudiados
Análisis ANOVA de los 9 tratamientos aplicados a la
bioadsorción de cromo
Fuente Media Varianza N
A= 10 g/L cáscara, 250 µm 58,21 29,64
3
B =10 g/L cáscara, 400 µm 36,73 20,27
3
C= 10 g/L cáscara, 841 µm 47,77 17,91
3
D= 15 g/L cáscara, 250 µm 43,19 1,89
3
E= 15 g/L cáscara, 400 µm 44,73 3,38
3
F= 15 g/L cáscara, 841µm 35,66 7,93
3
G= 20 g/L cáscara, 250 µm 37,35 37,13
3
H= 20 g/L cáscara, 400 µm 50,67 32,91
3
I = 20 g/L cáscara, 841 µm 51,01 10,35
3
F = 9,78
p = 3,54216E-5
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
Al realizar el análisis de la varianza se observa que si existe diferencia
estadísticamente significativa (p>0,05) en la bioadsorción de cromo por parte
de la harina de cáscara de banano maduro; entre los 9 tratamientos
estudiados, el tratamiento A alcanza el mayor porcentaje de bioadsorción,
79
debido a que retiene el 58,2 % del cromo presente en el agua sintética,
siendo su composición 10 g/L de harina de cáscara de banano maduro con
un tamaño de partícula de 250 µm demostrando de esta forma que a menor
tamaño de partícula mayor retención de cromo.
Tabla 4.11. Desviación estándar del experimento de bioadsorción de cromo
Tratamientos Media Desviación estándar
A= 10 g/L cáscara, 250 µm 58,21 ±5,44
B= 10 g/L cáscara, 400 µm 36,73 ± 4,50
C= 10 g/L cáscara, 841 µm 47,77 ± 4,23
D= 15 g/L cáscara, 250 µm 43,19 ± 1,37
E=1 5 g/L cáscara, 400 µm 44,73 ± 1,83
F= 15 g/L cáscara, 841 µm 35,66 ± 2,81
G= 20 g/L cáscara, 250 µm 37,35 ± 6,09
H= 20 g/L cáscara, 400 µm 50,67 ± 5,73
I= 20 g/L cáscara, 841 µm 51,01 ± 3,21
Fuente: Bismarck Castro, 2014.
La tabla 4.11 muestra las desviaciones estándar de los 9 tratamientos
estudiados, determinando aquellos en los cuales se obtuvieron mayores
precisiones en la obtención de los resultados; el tratamiento D (± 1,37) tuvo
la desviación estándar menor y, por ende, porcentaje menor de error
experimental.
80
4.9. CONTRASTE DE HIPÓTESIS
El test estadístico permitió aceptar o rechazar la hipótesis emitida
sobre el valor de los porcentajes de bioadsorción de la harina de
cáscara de banano maduro.
Desviación estándar de la muestra = 1,0.
Intervalo de confianza del 95,0%.
Hipótesis nula: media = 0,5.
Alternativa: no es igual.
Computarizada estadístico t = -2, 59.
P-Valor = 0,015.
Se rechaza la hipótesis nula para alfa = 0,05.
El análisis de contraste de la hipótesis muestra los resultados de la prueba
de hipótesis relativa a la media (mu) de una distribución normal. Las dos
hipótesis comprobadas son:
Hipótesis nula: mu = 0,5.
Hipótesis alternativa: mu <> 0,5.
Puesto que el P-valor de la prueba es inferior a 0,05; la hipótesis nula, se
rechaza en el nivel de confianza del 95,0%. Se acepta la hipótesis
alternativa.
81
H1: Aplicando harina de cáscara de banano como bioadsorbente en las
aguas contaminadas con plomo y cromo, se logran reducir las
concentraciones de estos metales pesados.
82
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
- De acuerdo con los resultados obtenidos en esta investigación, se
comprobó que la harina de cáscara de banano maduro presenta un
gran potencial para la remoción de Pb (II) y Cr (VI), debido a los
grupos funcionales (hidroxilos, carboxilos y alquilo) presentes en su
estructura molecular, este tipo de residuo agroindustrial se puede
considerar como una alternativa para el tratamiento de las aguas
residuales con contenido de iones de plomo y cromo debido a que la
presencia de los grupos funcionales carboxil, carbonil, sulfidril, fosfato
e hidroxil, pueden contribuir a enlazar los contaminantes los
contaminante como el plomo y cromo (Junxiong, Longzhe, Yanxin, &
Chengfu, 2009).
- El protocolo utilizado para el desarrollo del proceso de bioadsorción de
plomo y cromo resulto de gran eficiencia, el tiempo de retención
hidráulica fue de 48 horas, lo cual permitió una completa solubilización
de la harina de cascara de banano maduro.
- El presente estudio muestra que la HCBM-COOH preparado de la
cáscara de banano maduro proveniente de los frutos destinados a la
deshidratación de la pulpa en la empresa CONFOCO. S.A., residuo
agroindustrial, puede ser utilizado como un adsorbente para la
83
eliminación de los metales pesados Pb (II) y Cr (VI) de sus soluciones
acuosas.
El rango de pH de 5,4 a 6,9 fue eficaz para la eliminación de hasta un
80% en el plomo y 51,2 % en el cromo.
- Los grupos carboxilos fueron los sitios principales de reacción
responsables por la unión de los metales con el HCBM-COOH. Los
estudios de adsorción, por, “Batch” muestran que la HCBM-COOH
puede ser utilizada para remover metales pesados de soluciones
acuosas y aguas residuales industriales.
- De acuerdo con los resultados obtenidos en esta investigación, se
comprobó que la cáscara de banano presentó un gran potencial para
la remoción de Pb (II) y Cr (VI) en agua sintética, debido a los grupos
funcionales presentes en su estructura molecular, sin embargo, este
residuo es considerada una alternativa para el tratamiento de las
aguas residuales con contenido de iones de plomo y cromo (Garcés,
2012).
- La relación de gramos de adsorbente por litro de solución es un factor
muy importante en el proceso de adsorción; esta variable limita la
cantidad máxima de iones de plomo (II) y Cromo (VI) que la cáscara
de banano puede adsorber; a mayor relación g/L mayor porcentaje de
adsorción; es necesario encontrar una relación para el equilibrio entre
la cantidad de cáscara gastada y el porcentaje obtenido de remoción;
84
de acuerdo con los resultados en esta investigación, se encontró que
con la relación de 20 g/L, se obtuvieron los porcentajes mayores de
remoción, los cuales fueron de 80 % Pb del y 51,2 % del Cr,
respectivamente.
- Después de transcurridas 48 horas del proceso de bioadsorción de
plomo y cromo por parte de la harina de cáscara de banano maduro,
esta se precipita y se torna de color marrón, evidenciado la saturación
y oxidación de la misma.
- De acuerdo a los resultados obtenidos del análisis de varianza
(ANOVA), efectuado para determinar la significancia estadística del
efecto de los parámetros estudiados en el proceso de adsorción de
plomo y cromo a partir de cáscara de banano, se concluye que:
- En el caso del plomo, al aumentar la concentración de la cáscara de
banano, aumenta la capacidad de adsorción y el tamaño de la
partícula no influye significativamente en el proceso. En la adsorción
de cromo existe una diferencia significativa en el tamaño de la
partícula; a mayor tamaño mayor adsorción; la concentración de la
cáscara en este caso no es significativa.
85
5.2. RECOMENDACIONES
- Mediante la experiencia adquirida en la investigación presente se
recomienda, seguir investigando la optimización del proceso de
bioadsorción para obtener mayores porcentajes de adsorción de los
metales pesados.
- En la elaboración de la harina de cáscara de banano en el secado no
aplicar temperaturas superiores a 80 °C, para evitar la
desnaturalización los grupos funcionales (carboxil, carbonil, sulfidril,
fosfato e hidroxil), los cuales poseen propiedades adsorbentes de los
metales pesados como el plomo y cromo.
- Trabajar en investigaciones futuras con tamaños de partícula inferiores
a 1 mm, esta forma facilita la recuperación de la cáscara.
- Se debe trabajar con un pH menor a 3,5, para obtener un porcentaje
mayor de adsorción, para lo cual, se podrían utilizar ácidos orgánicos
para modificar el pH de las cáscaras utilizadas en la bioadsorción de
los metales pesado.
- Este tipo de residuo (Harina de cáscara de banano) se la puede
emplear para depurar aguas residuales industriales con pH
ligeramente acido (6,5 a 4) en las cual su concentración no supere los
50 ppm de metales pesados totales. El pH ligeramente acido favorece
al proceso de bioadsorción, debido a que la solución esta protonada y
86
la cascara de banano tiende a adsorber mayor concentración de
metales pesados.
- Realizar un estudio para determinar la factibilidad del tratamiento de
las aguas residuales con cáscara de banano maduro (harina de
cáscara de banano maduro), tomando en cuenta las rentabilidades
económica, social y ambiental.
87
6. BIBLIOGRAFÍA
1. EAAB. (2010). Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá.
Video institucional.
2. Ministerio del Medio Ambiente. (2006). Fuentes naturales y
antropogénicas de plomo y cadmio en el pais. Informacion Plomo y
Cadmio en el Ecuador, 2-8.
3. Aldaña, A, Mejia, F, Venturia, D, Gonzalez, Y, & Martinez, E. (2014).
Cuales son las implicaciones en la salud oel medio ambiente de
algunos metales pesados. Slideshare, Pág. 2.
4. Alvarez, P., Blanco, C., & Granda, M. (2007). The adsorption of
chromium (VI) from industrial The adsorption of chromium (VI) from
industrial. Journal of Hazardous Materials 144, Pág. 371-376.
5. Ambientaling. (2010). Procesos Biologicos de descontaminación.
Ambiental, Pág. 42.
6. Annadurai, G., Jueng, R. S., & Lee, D. J. (2002.). Adsorption of heavy
metals from water using banana and orange peels. Water Sci.
Technol., Pág 47: 185-190.
7. Bengtsson, H., Alvenas, G., Nilsson, S., Hultman, B., & Oborn, I.
(2006). Agric ecosyst environ. . Págs 113, 120-138.
8. Bi, X., Feng, X., Yang, Y., Qiu, G., Li, G., Li, F., Jin, Z. (2006).
Environment international. Págs 32, 883- 890.
9. Bukowiecki, N., Gehrig, R., Hill, M., Lienemann, P., Zwicky, C. N.,
Buchmann, B., Baltensperger, U. (2007). Atmospheric environment.
Págs. 878-889.
88
10. Caballero, S. J., Ruiz, F. J., & Aracil, S. I. (2010). Simulación y
optimización de procesos químicos. Universidad de Alicante.
11. Cañizares, R. O. (2000). Biosorción de metales pesados mediante el
uso de biomasa. Revista Latinoamericana de Microbiología, Págs
42:131-143.
12. Castro, M. (2009). Presencia de arsénico en el agua de bebida en
América Latina y su efecto en la salud Publica. International Congress:
Natural Arsenic in Groundwaters of Latin America. México .
13. Chapman, P. M., Wang, F., Janssen, C. R., Goulet, R., & Kamunde, C.
(2003). Human and ecological risk assessment. Págs 641-697.
14. Ciclus. (08 de Abril de 2015). Tipologia de aguas residuales. Obtenido
de http://www.cyclusid.com/tecnologias-aguas-residuales/tipologias/
15. Eilbeck, W. M. (1987). Chemical processes in waste water treatment.
Ellis Horwood Limited, Chichester.
16. El-Shafey, E., Cox, A., Pichugin, & Appleton, Q. (2002). Application of
a carbon sorbent for the removal of cadmium and other heavy metal
ions from aqueous solution. J. Chem. Tech. Biotechnol., Págs. 429-
436.
17. EPA. (1996). Method 3050B (SW-846): Acid Digestion of Sediments,
Sludges, and Soils. Recuperado el Enero de 2009, de
http://www.epa.gov/sam/pdfs/EPA-3050b.pdf
18. Falco, G., Llobet, J. M., Bocio, A., & Domingo, J. L. (2006). Agric food
chem. Págs 54, 6106-6112.
19. Fuersteman, M. (1976). Flotation, A. Gaudin Memorial Volume,
AIMMPE.
89
20. Gadd, G. M. (1993). Microbial treatment of metal pollution – a working
biotechnology?. . Trends Biotechnol., Págs 11:352-359.
21. Garcés, L. C. (2012). Evaluación de la capacidad de adsorción en la
cáscara de naranja (citrus sinensis) modificada con quitosano para la
remoción de Cr (VI) en aguas residuales. Universidad de Cartagena.
22. García, R. M. (2010). Tratamiento de Aguas Residuales Industriales.
Dpto. de Ingeniería Química, Facultad de Ciencias, UGR, Pág. 3.
23. Guéguen, C. y. (2004). Water toxicity and metal contamination
assessment of a polluted river. Applied Geochemistry, 153-162.
24. Higuera, O. F. (2009).
StudyingchromiumbiosorptionusingArabicacoffeeleaves.Revista
ingeniería e investigación vol. 29 no. 2, Pág. 59-64.
25. Hurtado, J. (2007). Obtenido de
http://animalesyplantasdeperu.blogspot.com/2007/03/escasez‐de‐agua
‐en‐latinoamrica.html
26. Ives, K. (1981.). The Scientific Basic of Flotation. Advanced Study
Institute.
27. Junxiong, C., Longzhe, C., Yanxin, W., & Chengfu, L. (2009). Effect of
functional groups on sludge for biosorption of reactive dyes. Journal of
Environmental Sciences, Págs. 534–538.
28. Kadirvelu, K. F.-B. (2000). Removal of Pb (II), Cu (II) and Ni (II)-by
adsorptiononto activated carbon cloths. Langmuir, 16., Págs. 8404-
8409.
29. Kimbrough, D. Y. (1999). A critical assessment of chromium in the
environment. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol, 1-46.
90
30. Lenntech. (2013.). Plomo. Water Treatment Solutions.
31. Méndez, K. (2008). Adsorción del cromo (VI) usando citrus sinensis
como biomasa residual. Biotechnology and Bioengineering. 67 , Pág.
1045-1054.
32. Monsalve, J., Medina, V., & Ruiz, A. (2006.). Producción de etanol a
partir de la cáscara de banano y almidón de yuca. Pág . 21-27.
33. Montanher, S., Oliveira, E. A., & Rollenberg, M. C. (2005.). Removal of
metal ions from aqueous solutions by sorption onto rice bran. J.
Hazard. Mater., Págs B117:207-211.
34. Montgomery, D. (2000). “Diseño y análisis de Experimentos”,. Tercera
edición, Grupo Editorial Ibero América.
35. ONU. (2003). El agua, una responsabilidad compartida.
36. Park, D. (2007). Reliable evidences that the removal mechanism of
hexavalent chromium by natural biomaterials is adsorption-coupled
reduction,. , Chemosphere 70, Pág 298–305.
37. Pavez Miqueles, O. (1999). Reactivos de Flotación.
38. Peres, A. A. (1980). Flotaçâo, Espessamento, Filtragem, Deslamagem
e Floculaçâo Seletiva. In Tratamento de Minérios e Hidrometalurgia.
39. Pinzón, Bedoya M. (2008). Caracterización de la cáscara de naranja
para su uso como material bioadsorbente. . Bistua: Revista de la
Facultad de Ciencias Básicas, Vol. 6, Núm. 1., Pág 1-23.
40. Renata, S. D., Castro, L. e., Ferreira, G., Padilha, P. M., Saeki, M. J.,
Zara, L. F., . . . Castro, G. R. (2009). Banana Peel Applied to the Solid
Phase Extraction of Copper and Lead from River Water:
91
Preconcentration of Metal Ions with a Fruit Waste. J. Environ. Sci.
Health, Part A: Toxic/Hazard. Subst.Environ. Eng.
41. Rodrigues, M., & Formoso, M. (2005). Environmental geochemistry
and health. Págs 27, 397-408.
42. Rodríguez, J. J., Fernández, M. Á., Calvo, H. L., Casas de Pedro, J.
A., Gilarranz, R. M., García, G. V., . . . S, B. (2012). Tratamientos
Intensivos No Convencionales (T). Control y Evaluación de la Calidad
de las Aguas.
43. Romero, R. J. (2005). Tratamiento de aguas residuales, teoría y
principios de diseño.
44. Salvadó, S., Butí, F., Ruiz, Q. H., Emerich, T., & Pradell, D. d. (2008).
Una nova tècnica per a una obra singular. Butlleí el Museu Nacional
d’Art de Catalunya,, Pág. 9.
45. Scribd. (2013). Flotación.
46. Selvi K., P. S. (2001). La remoción de Cr (VI) en solución acuosa por
adsorción en activo de carbono. Bioresource Tecnología Volumen 80,
Número 1, Págs. 87-89.
47. SEMARNAT. (17 de Marzo de 2014). Ministerio Nacional de Ecologia
y Cambio Climatico. Obtenido de http://www.inecc.gob.mx/
48. SENAGUA. (2008). La Ley de Aguas. Codificación de la ley de aguas
número 2 del Art. 139.
49. Shibi, T. A. (2007). Preparación de un intercambiador de cationes que
contiene grupos carboxilo a partir del tallo de banano y su utilización
como agente quelante. InfoMusa - Vol. 16 No. 1-2, Pág. 8.
50. Skoog, D. A. (2008). Principios de análisis instrumental. Sexta edición.
92
51. Skoog, D., Holler, F., & Nieman, T. (2000). Principios de análisis
instrumental 5ª edición. MacGraw-Hill.
52. Sutulov, A. (1963). Flotación de minerales. Instituto de Investigaciones
Tecnológicas.
53. Tapia, N. (2003.). Biosorbente de Pb (II) por cáscara de naranja, citrus
sinensis, modificada. Rev química, vol 5 N°2,, Pag 48-53,.
54. Utgikar, V. P. (2004). Toxicity of metals and metals mixtures: analysis
of concentration and time dependence for zinc and copper. Water
Research 38, Págs. 3651-58.
55. Vásconez, N. M. (2012). Validación del método de espectrofotometría
de absorción atómica electrotermica para la determinación de cobre y
vanadio en aguas limpias y residuales. Universidad Central del
Ecuador-Facultad de Ciencias Químicas, Pág.18.
56. Volesky, B. (2003). Biosorption: Application aspects – Process
modeling tools . Hydrometallurgy 71(1-2) ,Págs. 179-190.
57. Woods, R. (1976.). "Electrochemistry of Sulfide Flotation," en M.C.
Fuerstenau. Vol 1, Págs. . 298-333.
58. Zhao, B., Maeda, M., Zhang, J., Zhu, A., & Ozaki, Y. (2006).
Environmental science and pollution research. Pág. 53.
93
ANEXOS
94
Anexo 1
Grafico 1: Diagrama de flujo de la elaboración de harina de cáscara de
banano maduro
Fuente: Bismark Castro, 2014.
95
Anexo 2
Figura 13: Molino FITZ MILL utilizado para la obtención de la harina de
cáscara de banano maduro.
Anexo 3
Figura 14: Cáscaras de banano maduro generados el deshidratado
96
Anexo 4
Figura 15: Harina de cáscara de banano maduro en tres tamaños de
partículas (250, 400 y 841 µm)
Anexo 5
Figura 16: Pesado de la harina de cáscara de banano
97
Anexo 6
Figura 17: Adición de la solución patrón de plomo y cromo (50 ppm)
Anexo 7
Figura 18: Llenado de los reactores experimentales con agua destilada
98
Anexo 8
Figura 19: Monitoreo del proceso de bioadsorción (medición de pH)
Anexo 9
Figura 20: Experimento completo (9 tratamientos por triplicado)
99
Anexo 10
Figura 21: Filtración de las muestras luego de las 48 horas de bioadsorción
Anexo 11
Figura 22: Muestras listas para el análisis (espectrofotometría de absorción
atómica)
100
Anexo 12
Figura 23: Espectrofotómetro de absorción atómica
101
Anexo 13
Figura 24: Resultado de análisis de las muestras (plomo y cromo)
102
Anexo 14
Figura 25: Análisis de las muestras (plomo y cromo)
103
Anexo 15
Figura 26: Análisis de las muestras (plomo y cromo)
104
Anexo 16
Figura 27: Análisis de las muestras (plomo y cromo)
105
Anexo 17
Figura 28: Análisis de las muestras (grupos funcionales)
106
Anexo 18
Figura 29: Análisis de las muestras (grupos funcionales)
107
Anexo 19
Figura 30: Análisis de las muestras (grupos funcionales)
108
Anexo 20
Figura 31: Análisis de las muestras (carbono, nitrógeno e hidrógeno)
109
Anexo 21
Figura 32: Análisis de las muestras (carbono, nitrógeno e hidrogeno)
110
Anexo 22
Figura 33: Análisis de las muestras (actividad de agua)
111
Anexo 23
Figura 34: Certificación del laboratorio donde se desarrolló la experimentación de la tesis