Preparación y aplicación de biosorbentes activados químicamente para la eliminación de plomo de medios acuosos

Resumo

Los avances científicos y tecnológicos desarrollados desde la revolución Industrial han aumentado de manera considerable la capacidad del ser humano para explotar los recursos naturales, provocando un fuerte incremento en el consumo de materias primas y, sobre todo, un aumento en la generación de residuos. Todo ello ha provocado una serie de perturbaciones y problemas ambientales. Dentro de estos problemas existen dos de especial interés: la generación de subproductos derivados de las actividades principales y que necesitan ser eliminados o reutilizados y la generación de efluentes industriales de alto contenido contaminante que tienen que ser depurados para reducir sus niveles de contaminación. Una de las principales actividades económicas de Andalucía es la agricultura, concretamente la derivada de la industria oleica, tanto el cultivo del olivo como la producción del aceite. Por ello, la reutilización de los residuos generados durante la producción de aceite de oliva es un punto de especial interés en la actualidad. Por otra parte, y dentro de la contaminación de las aguas, la contaminación por metales pesados es una de las más importantes, ya que provocan grandes problemas tanto sobre el medio ambiente como sobre los seres vivos. Los problemas ambientales ocasionados por los vertidos de efluentes industriales contaminados con metales, han dado lugar al desarrollo de un marco normativo cada vez más restrictivo. Por todo ello, se hace necesaria la generación de nuevas tecnologías eficientes y económicamente viables, que permitan reducir los niveles de contaminación de esos efluentes a los límites que marca la legislación, generando el menor impacto posible, y que además fomenten el reciclado y reutilización de materiales sin utilidad aparente. Las tecnologías de tratamiento de aguas residuales son, en muchos casos, poco efectivas y/o suponen un elevado coste. La biosorción surge, en los últimos años, como una tecnología alternativa y/o complementaria a las ya existentes. Sin embargo, y a pesar de los avances en el conocimiento de esta tecnología y al gran número de publicaciones existentes en este área de investigación, la aplicación industrial y la comercialización es muy limitada todavía. Uno de los principales problemas con los que se presenta la biosorción es la elección de un material biosorbente que presente un bajo coste y una alta capacidad de biosorción, ya que actualmente, los materiales con mayores resultados son las bacterias y los carbones activos, ambos con un elevado coste. En esta Tesis Doctoral se plantea la activación química de dos biosorbentes muy abundantes en Andalucía, el hueso de aceituna y el ramón o poda del olivo. El aprovechamiento de estos dos sólidos es de especial interés, desde un punto de vista económico y medioambiental, ya que son residuos de escaso o nulo valor económico generados en grandes cantidades en la obtención de aceite de oliva. Un aumento significativo de la capacidad de biosorción de estos dos sólidos, implica un aumento del valor añadido de los mismos, así como la posibilidad de aplicar la biosorción con un biosorbente de bajo coste pero alta eficacia de depuración. El objetivo general de esta Tesis Doctoral es la preparación y aplicación de biosorbentes activados químicamente para la eliminación de plomo de medios acuosos, maximizando su uso mediante la regeneración de los mismos. Para ello, se ha definido una metodología paso a paso. Primero se estudia el proceso de biosorción de plomo (Pb2+) mediante un sistema discontinuo, analizando el efecto de algunas variables que intervienen en el proceso, así como el efecto de diferentes tratamientos químicos realizados a los biosorbentes. A continuación se realiza un estudio de las variables de manera conjunta y se identifican las más significativas del proceso para la obtención de un modelo matemático que lo represente. Los resultados de este análisis permiten concluir las mejores condiciones de tratamiento para cada uno de los sólidos. A continuación se caracterizan detalladamente los dos residuos, tanto sin tratar como con los tratamientos en las condiciones elegidas anteriormente. Dicha caracterización abarca tanto las propiedades físicas como las químicas de los biosorbentes, ya que todas ellas están relacionadas con la capacidad de biosorción de un sólido. Se realiza el análisis granulométrico, la determinación de la densidad real y la densidad aparente, la determinación de la superficie específica y el volumen y distribución de poros, el análisis morfológico mediante microscopía electrónica de barrido, el análisis elemental, el análisis próximo, la determinación del carbono total (orgánico e inorgánico), la determinación de los grupos con propiedades ácido-base mediante la realización de titulaciones potenciométricas, el análisis infrarrojo y la determinación del porcentaje de pérdida de masa con el tratamiento. La comparación de los resultados obtenidos en cada análisis para el biosorbente sin tratar y después del tratamiento permite conocer el efecto de cada uno de ellos y la importancia de cada una de las propiedades en la capacidad de biosorción de los materiales. Además, los resultados de la pérdida de masa obtenida durante cada tratamiento, permiten evaluarlos tanto en el aumento que se produce en la capacidad de retención como en su aplicación industrial (desde un punto de vista económico). Seguidamente, se estudia el equilibrio del proceso de los dos residuos sin tratar y tratados químicamente con los agentes y las concentraciones seleccionadas anteriormente. Se ajustaron los resultados experimentales a siete modelos de equilibrio: Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich, Temkin, Redlich-Peterson, Sips y Toth. Además, se determina la capacidad de biosorción de cada uno de los biosorbentes activados químicamente y se compara con la del residuo sin tratar, obteniendo un valor relativo de capacidad de biosorción, referida a la masa de biosorbente natural y que tiene en cuenta las pérdidas de masa durante el tratamiento. A continuación se estudia la cinética del proceso para cada uno de los biosorbentes sin tratar y tratados químicamente mediante seis modelos cinéticos: pseudo primer orden, pseudo segundo orden, pseudo n-orden, Elovich, difusión intraparticular y difusión doble exponencial. En todo momento, los resultados obtenidos se relacionan con los cambios físico-químicos producidos por los tratamientos en los biosorbentes. Posteriormente se realiza un estudio de la biosorción de plomo mediante un sistema en continuo (columnas de lecho fijo), analizando las curvas de ruptura obtenidas para cada biosorbente. Los resultados permiten concluir que el mejor tratamiento para el hueso de aceituna es el tratamiento con HNO3 2 M y el para el ramón el tratamiento con NaOH 1 M. A continuación se estudia la regeneración de los biosorbentes, pero sólo para las tratamientos elegidos. Para ello, en primer lugar se elige el agente desorbente que proporciona un mayor porcentaje de desorción de plomo, de entre siete agentes estudiados. Los resultados indican que el plomo se desorbe más eficazmente de ambos sólidos utilizando HCl, por lo que se ha estudiado la concentración óptima de este agente para el proceso de regeneración. Finalmente, para concluir este trabajo se realiza un proceso regenerativo de ambos biosorbentes mediante cinco ciclos consecutivos de sorción-desorción. Los resultados y el análisis de los datos obtenidos permiten determinar el número de ciclos de uso de cada uno de los sólidos hasta su completa saturación. Los resultados obtenidos en este trabajo ponen de manifiesto la viabilidad de la activación química de ambos sólidos para la biosorción de plomo de medios acuosos. En concreto, para el hueso de aceituna, con un alto porcentaje de mejora, se pone de manifiesto la clara efectividad del tratamiento químico para incrementar su capacidad de biosorción de plomo. En el caso del ramón, aunque la mejora obtenida es menor, los resultados también avalan la viabilidad de su activación química. Se puede concluir por tanto, que los resultados obtenidos de la capacidad de biosorción, de la regeneración de los biosorbentes y del factor de vida para ambos biosorbentes, indican su posible aplicación industrial para el tratamiento de aguas residuales.