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Facultad de Arquitectura e Ingeniería Civil y del Ambiente

E.P. Ingeniería Ambiental

Procesos y Operaciones Unitarias I Laboratorio Practica N°5

OPERACIONES NO REACTIVAS: ADSORCION Candy Wendoly Ticona Poma 1 1

Candy Wendoly Ticona Poma, Estudiante, Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental, Facultad de Arquitectura e Ingeniería Civil y del Ambiente, Universidad Católica de Santa María, Arequipa, Perú

RESUMEN El presente informe de laboratorio, consiste en conocer y analizar los procesos de adsorción en sistemas sólido-líquido y abordar el estudio de la caracterización textural y química de los sustratos (compost y arcilla) con vista a sus aplicaciones en la eliminación de contaminantes en fases acuosa, así también se comprueba y compara la capacidad de adsorción de diferentes sólidos adsorbentes como es el compost y la arcilla, evaluar e interpretar el transporte de contaminantes a través de suelos orgánicos y analizar el procedimiento de retardo en un medio poroso. En este informe se pretende brindar una introducción a los fundamentos básicos de la teoría de adsorción. Unas de las condiciones en las que realizamos las prácticas en el laboratorio fueron las prevenciones que se deben tener y conocer antes de entrar a un laboratorio, la práctica a tratar fue el de la Preparación de dos columna una con compost y otra con arcilla, y contaminarlas con dicromato de potasio, luego se le añadió 6 ml de nitrato de sodio, 1,2 ml de ácido clorhídrico y 0.5 ml de difenil carbazida, creando 6 fiolas con diferentes concentraciones, tanto para la columna de compost como la de arcilla, estas se llevaron a analizar al espectro electrofotometro UV- visible. Estos datos obtenidos se colocaron en la base de datos ambientales, para el posterior análisis e interpretación de los resultados, de esta manera se muestra el enorme potencial de dos tipos de sólidos diferentes, una la arcilla y un material producto del compostaje, en la adsorción/eliminación de plomo (Pb) en medio acuoso, en concentraciones de metal. Ambos materiales mostraron propiedades importantes para la eliminación de plomo (Pb), considerándose de mayor relevancia el compost por ser un material de bajo costo.

Palabras clave: Adsorción, Medio poroso, Compost, Arcilla, Retardo.

ENVIRONMENTAL DATABASES METADATA TEMPLATE ABSTRACT The present laboratory report, is to know and analyze the adsorption processes in solid-liquid systems and address the study of the textural and chemical characterization of substrates (compost and clay) with a view to their applications in the elimination of pollutants in phases In this way, the adsorption capacity of different adsorbent solids such as compost and clay is checked and compared, the transport of pollutants through organic soils is evaluated and interpreted and the delay procedure in a porous medium is analyzed. This report aims to provide an introduction to the basic fundamentals of adsorption theory. One of the conditions in which we carried out the practices in the laboratory were the preventions that must be had and know before entering a laboratory, the practice to be treated was that of the Preparation of two columns one with compost and another with clay, and contaminated with potassium dichromate, then added 6 ml of sodium nitrate, 1.2 ml of hydrochloric acid and 0.5 ml of diphenyl carbazide, creating 6 fiolas with different concentrations, both for the compost column and clay, these The UV-visible electrophoretic spectrum was analyzed. These obtained data were placed in the environmental database, for the subsequent analysis and interpretation of the results, in this way it shows the enormous potential of two different types of solids, one the clay and one material product of the composting, in the adsorption / elimination of lead (Pb) in aqueous medium, in metal concentrations. Both materials showed important properties for the elimination of lead (Pb), considering the most important compost because it is a low cost material.

Keywords: Adsorption, Porous medium, Compost, Clay, Delay.

1

Facultad de Arquitectura e Ingeniería Civil y del Ambiente

1.

E.P. Ingeniería Ambiental

(Fritzen et al., 2006; Zhu et al., 2008) y diferentes residuos domésticos (Gibert et al., 2005; Wei, Y. et al., 2005).

INTRODUCCIÓN

En 1915, el norteamericano Little definió operación unitaria como “cada una de aquellas operaciones básicas en las que se puede descomponer cualquier proceso químico”. A diferencia de los procesos químicos, que alcanzan un número incalculable, el número de operaciones unitarias no es muy elevado (unas 25 o 30) y al tratar un proceso como una secuencia de operaciones unitarias, se facilita su estudio. En esta práctica nos centraremos en el estudio de una operación unitaria: la adsorción. En la actualidad, la adsorción es considerada como una de las mejores técnicas de remoción de contaminantes. Los fenómenos que ocurren en la interface entre un fluido y un sólido involucran, en alguna de sus etapas, al proceso de adsorción fisicoquímica. El estudio de este fenómeno es crucial para la comprensión de procesos tales como: catálisis heterogénea, lubricación, adhesión, etc. La adsorción de una especie química presente en la solución del suelo (adsorbato) por los constituyentes de la fase sólida del suelo (adsorbente) ocurre debido a las interacciones entre la superficie activa de las partículas sólidas y el adsorbato. La cantidad adsorbida de una determinada especie depende no sólo de la composición del suelo sino también de la especie química de la que se trata y de su concentración en la solución. Para estudiar la adsorción de un compuesto químico sobre un suelo pueden ser usadas dos técnicas de laboratorio: experiencias en batch y experiencias con columnas. La presencia de metales pesados en solución acuosa representa un serio peligro para la salud humana ya que muchos de estos metales son tóxicos. El principal problema de los metales pesados lo constituye su imposible biodegradación; sin embargo, son varias las metodologías que se han desarrollado para eliminar su contenido, y algunas de ellas buscan transformarlos en especies menos tóxicas o inmovilizarlos para evitar su difusión. Las principales transformaciones se deben a cambios en el estado de oxidación, lo cual influye de forma drástica en la movilidad del metal, ya que en algunos casos aumenta su solubilidad, favoreciendo así su permanencia en el medio; en otros casos la solubilidad disminuye, produciéndose una inmovilización del metal. Los métodos generales para remover metales pesados de efluentes industriales incluyen la precipitación, la óxidorreducción y el intercambio iónico, entre otros. Sin embargo, estos procesos presentan varios inconvenientes, como son: costos elevados, eliminación incompleta de los metales de interés o formación de residuos que requieren tratamientos adicionales. En las últimas décadas la adsorción se ha constituido en un método alternativo para la remoción de metales de aguas residuales empleando una variedad de materiales sólidos, tales como arcillas

Objetivos: 

Conocer los procesos de adsorción en sistemas sólido-líquido y abordar el estudio de la caracterización textural y química de los sustratos (compost y arcilla) con vista a sus aplicaciones en la eliminación de contaminantes en fases acuosa.



Comprobar y comparar la capacidad de adsorción de diferentes sólidos adsorbentes como es el compost y la arcilla.



Evaluar e interpretar el transporte contaminantes a través de suelos orgánicos.



Analizar el procedimiento de retardo en un medio poroso.

2.

de

MARCO TEORICO

Adsorción: La adsorción es la remoción, por adherencia, de las impurezas (líquidos, gases, materia suspendida, coloides, moléculas, átomos e iones disueltos) de la sustancia en la superficie (que incluye los poros o superficie interna) del sorbente (interface entre las dos fases). Este proceso es sumamente necesario e imprescindible para una planta purificadora de agua. Se puede representar con la siguiente reacción química:

Donde A es el adsórbalo o sustancia adsorbida, B es el adsorbente y A.B es el compuesto formado con la adsorción. Una de las más importantes rxns de los contaminantes en la superficie es la adsorción y puede suceder lo siguiente:

2



Partición hidrofóbica de químicos orgánicos (adsorción) a materia organica contenida en el subsuelo.



Adsorción de orgánicos y metales a la superficie de partículas por fuerzas electrostáticas o coordinación a la superficie.

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El compost o mantillo se puede definir como el resultado de un proceso de humificacion de la materia organica, bajo condiciones controladas y en ausencia de suelo. El compost es un nutriente para el suelo que mejora la estructura y ayuda a reducir la erosion y ayuda a la absorcion de agua y nutrientes por parte de las plantas. (infoAfro)

Intercambio iónico de metales y ligados en sitios de intercambio y en las intercapas de arcillas.

Tipos de adsorción: Hay dos tipos de procesos de adsorción: adsorción química y adsorción física. 

E.P. Ingeniería Ambiental

Adsorción Física: También llamado fisisorción se produce si el adsorbato y la superficie del adsorbente interactúan sólo por medio de fuerzas de Van der Waals. Las moléculas adsorbidas están ligadas débilmente a la superficie y los calores de adsorción son bajos, apenas unos cuantos kJ, comparables al calor de vaporización del adsorbato. El aumento de la temperatura disminuye considerablemente la adsorción.

Arcilla: El término arcilla denota a una sustancia mineral en estado finamente dividido por medios naturales o por molienda que al ser mezclada con determinada cantidad de agua desarrolla plasticidad, pudiendo ser moldeada y retener su forma después del secado.” (Lima-Perú Patente nº 10, 2000). Son minerales muy comunes en la superficie terrestre donde forman los sedimentos clásticos más finos.

3.

MATERIALES Y METODO

Materiales adsorbentes:  

Arcilla Compost

Material:     Fig. 1. Arcillas con propiedades de adsorción de sustancias. 

Fiolas Volutrol Pipetas Soporte Universal

Reactivos:    

Adsorción Química: Denominada también quimisorción, se produce cuando las moléculas adsorbidas reaccionan químicamente con la superficie, en este caso se forman y se rompen enlaces. La adsorción química no va más allá de una monocapa en la superficie. Se caracteriza por la unión química fuerte entre el adsorbato y el adsorbente.

Dicromato de potasio Nitrato de sodio Ácido clorhídrico Difenilcarbazida

Armar la configuración experimental de acuerdo a la figura 2.

Retardo: Es un proceso que limita el transporte de los contaminantes en el suelo, debido a su remoción o inmovilización por acción de los coloides y/o la biomasa microbiana. Desde el punto de vista químico el retardo puede presentarse por sorción y precipitación (juega un papel fundamental las cargas y enlaces iónicos).Este caso se presenta en los metales pesados y algunos plaguicidas recalcitrantes.

Compost:

Fig. 2. Configuración experimental del Sistema Hídrico.

3

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Preparación de la columna: 1.

2. 3. 4.

5. 6.

Se Introdujo una pequeña cantidad de gasa cortada circularmente, con ayuda de una varilla en el estrechamiento de la columna, procurando que no quede muy apelmazado para no dificultar el paso de la solución durante el proceso. Se sujetó firmemente la columna en posición vertical a un soporte (por un punto). Se introdujo una pequeña cantidad de grava de forma que quede un lecho uniforme sobre la base de gasa (aprox. 1 cm de espesor). Se colocó el adsorbente siendo arcilla en la primera columna y compost en la segunda columna (sin hacer presión para que no se taponee) La columna se golpeó ligeramente con la mano o con ayuda para que el adsorbente se deposite de manera uniforme Se evitó la formación de grietas, burbujas o grumos durante el proceso de llenado.

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Ácido clorhídrico

Dicromato de potasio

Nitrato de sodio

Difenil carbazida

Fig. 4. Soluciones de Ácido clorhídrico, dicromato de potasio, nitrato de sodio y difenil carbazida.

Introducción de la muestra 1.

2.

3.

Una vez preparada la columna, se dejó verter 1ml de la solución preparada (1ml de dicromato de potasio y 49 ml de agua) hasta cubrir ligeramente el adsorbente y espera que filtre. Luego se crean 6 fiolas que tendrán diferentes concentraciones del contaminante por lo que esta ira disminuyendo de acuerdo al tiempo, a estas se le añadió 6 ml de nitrato de sodio, 1,2 ml de ácido clorhídrico y 0.5 ml de difenil carbazida. Las 6 fiolas preparadas se llevaron a observar en el espectrofotómetro.

2 fiolas de 50 ml

2 vasos precipitado

Pipetas 6 fiolas de 10 ml

Bureta

Fig. 5. Material de vidrio.

Una Una de de

Arcilla

Compost

Compost

Fig. 6. Adsorbentes (arcilla y compost). Fig. 3. Armado del sistema de dos columnas con adsorbentes (arcilla y compost)

4

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Alícuota 1 2 3

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Hora

Abs

09:21:00 09:30:05 09:57:00

0.200 0.235 0.287

C 0.245 0.288 0.351

Graficas: Grafica.1. Concentración y tiempo del suelo inorgánico (arcilla)

Fig. 7. Electrofotometro UV- visible.

Fig. 8. Fiolas listas para el análisis en espectrofotómetro (Compost).

4.

Grafica.2. Concentración y tiempo del suelo orgánico (compost)

RESULTADOS

Base de datos ambientales: Tabla. 1. Datos de la absorbancia de los suelos orgánicos e inorgánicos. CONCENTRACION INICIAL (ADS): 0.719 SUELO HORA SUELO INORGANICO ORGANICO (ABS) (ABS) 09:33:10 0.036 09:21:00 0.200 09:35:41 0.112 09:30:05 0.235 09:59:10 0.232 09:57:00 0.287 HORA

Tabla. 2. Ecuación de la curva de calibración. Y=0.8235x-0.002

5.

DISCUSIÓN RESULTADOS)

Y: absorbancia X: concentración

(O

ANÁLISIS

DE

Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto que el “compost” tiene mejor capacidad de adsorción comparado con el “arcilla”, debido a los niveles de remoción observados, mientras que con la “compost” se pudieron observar valores altos de remoción, en el caso de “arcilla” se observaron valores bajos. Esto permitió establecer el enorme potencial de un producto de compostaje en la adsorción/eliminación de plomo (Pb) en medio acuoso, en concentraciones de metal equivalentes a las halladas en aguas residuales.

Tabla. 3. Datos de la absorbancia y la concentración del suelo inorgánico Alícuota Hora Abs C 09:33:10 0.036 1 0.046 09:35:41 0.112 2 0.138 09:59:10 0.232 3 0.284 Tabla. 4. Datos de la absorbancia y la concentración

del suelo orgánico

5

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6.

7.

CONCLUSION 

Se comprendieron los procesos de adsorción en sistemas sólido-líquido notándose la importancia que tiene las propiedades físicas del compost y arcilla, sobre todo su textura para la eliminación de contaminantes en fases acuosa.



Se pudo observar que el compost tiene mayor capacidad de adsorción que la arcilla, por lo que el compost es un material adsorbente eficaz para la eliminación de contaminantes en el medio acuoso.



El transporte de contaminantes a través de suelos orgánicos, en este caso compost se pudo apreciar que es mas lento que en el de suelos inorgánicos, pero los suelos orgánicos al tener mayor porosidad tienen mayor capacidad de adsorción. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] C. Vargas-Nieto, J. G. Carriazo, E. Castillo. (2011) Estudio de materiales adsorbentes de bajo costo para remover Cr(VI) de efluentes acuosos. Recuperado de http://www.scielo.org.co/pdf/iei/v31n1/v31n1a16.pdf [2] Zhu, S., Hou, H., Xué, Y., Kinetic and isothermal studies of lead ion adsorption onto bentonite., Applied Clay Science, Vol. 40, 2008, pp. 171-178. [3] Gibert, O., De Pablo, J., Cortina, J., Ayora C., Municipal compost-based mixture for acid mine drainage bioremediation: Metal retention mechanisms., Applied Geochemistry, Vol. 20, 2005, pp. 1648–1657 [6] Wei, Y., Lee, Y., Hsieh, H., XANES study of Cr sorbed by a kitchen waste compost from water., Chemosphere, Vol. 61, 2005, pp.1051–1060. [7] Fritzen, M., Souza, A., Souza, L., Nome, R., Fiedler, H., Nome, F., Distribution of hexavalent Cr species across the clay mineral surface–water interface., Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 296, 2006, pp. 465–471.

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