Estudio de biosorción de cromo en agua usando el polímero natural quitina

BÁRBARA PEREZ MORA; MARIANA DI NUCCI; MARÍA INÉS FRASCAROLI; LUIS FEDERICO SALA; JUAN CARLOS GONZÁLEZ; SILVIA ISABEL GARCÍA

Curitiba

Jornada; XIX Jornadas de Jóvenes Investigadores; 2012

AUGM

Los metales son contaminantes ubicuos que han acompañado al hombre desde la más remota antigüedad. Las fuentes más importantes de contaminación por cromo están relacionadas con el ambiente ocupacional, que utiliza compuestos de cromo trivalente y hexavalente; detectándose en la vecindad de las zonas industriales niveles elevados de cromo en suelo, aire, agua y biota. La contaminación del agua por cromo aumentó considerablemente con el crecimiento de las actividades industriales constituyendo un serio problema ambiental, que pone en riesgo la salud humana y el agotamiento de este recurso. El tratamiento de grandes volúmenes de agua residual conteniendo bajas concentraciones de contaminantes es un tema acuciante, debido a que las regulaciones de descarga de efluentes al ambiente son cada vez más exigentes para las industrias. La Organización Mundial de la Salud fija los niveles permitidos de cromo total en efluentes industriales y en agua potable en 0,25 y 0,05 mg/L, respectivamente. Ciertamente, existen tecnologías físico-químicas convencionales para remover cromo, sin embargo, estos métodos son muy onerosos e ineficientes, especialmente a baja concentración del metal. Los métodos químicos resultan costosos debido a que el agente activo no puede ser recuperado para su posterior reutilización. Además, producen lodos con altas concentraciones metálicas lo que dificulta su eliminación, por esta razón el daño ambiental suele ser importante. La biosorción es una alternativa potencial, esta tecnología utiliza polímeros naturales, los llamados biopolímeros. Estas macromoléculas poseen características funcionales que les confieren la capacidad de captar y concentrar metales pesados bajo condiciones predeterminadas. La quitina, biopolímero más abundante después de la celulosa, es uno de los componentes principales de las paredes celulares de hongos y del resistente exoesqueleto de artrópodos. Este biopolímero se compone de unidades de N-acetil-D-glucosamina, es completamente insoluble en agua debido a los enlaces de hidrógeno que se establecen su estructura. Principalmente la quitina se obtiene del caparazón de crustáceos, importante desecho de la industria alimenticia de langostinos, camarones y cangrejos. En este trabajo se investiga la interacción de cromo trivalente con quitina, en sistemas binarios: agua sintética conteniendo cromo/biopolímero. La concentración de Cr(III) se determinó espectrofotométricamente por el método de la 1,5-difenilcarbacida a 540 nm, previa oxidación de Cr(III) a Cr(VI). En primera instancia para una concentración inicial de cromo trivalente de 100 mg/L y a pH = 4,4, se determinó que el tiempo de contacto suficiente para que se presente una remoción significativa era de 24 h. La adsorción se incrementa cuando el dosaje del biopolímero varió en el rango 5 - 25 g/L, alcanzando un máximo para una dosis de quitina de 17,5 g/L. La disminución de la remoción de cromo a las dosis más elevadas de biosorbente se atribuyó a una agregación parcial del mismo, resultando en una disminución del número de sitios activos expuestos, lo que vería afectada la capacidad de retención. Conociendo que el pH es un parámetro importante que afecta la bioadsorcion de Cr(III) debido a: i)la química acuosa del catión metálico dominada por aquo e hidroxocomplejos, la cual es condicionada por la propia acidez del catión; ii) los grupos funcionales presentes en la superficie del biopolímero por la competencia con iones intercambiables (H3O+) por los centros activos ionizables. La capacidad de sorción (q, en mg de cromo trivalente adsorbidos por g de quitina) en el rango de pH de 1 a 5 aumenta, siendo máxima a pH = 5. Sin embargo, se estipuló trabajar a un valor de pH igual a 4,5 para evitar la formación del precipitado microcristalino de Cr(OH)3 cuya aparición se favoreció ante un incremento en la temperatura. La bioadsorción depende de la protonación y desprotonación de los grupos funcionales que componen la estructura del polímero, así cuando los valores de pH son bajos la superficie del biopolímero presenta carga positiva y como el Cr(III) está presente en solución acuosa como el ión complejo [Cr(H2O)6]3+, la interacción electrostática entre el adsorbato y el adsorbente es desfavorable. Al incrementarse el pH se reduce la repulsión electrostática, exponiendo más sitios portadores de carga negativa y la capacidad de adsorción se incrementa. Las isotermas de adsorción describen cómo los adsorbatos interaccionan con los adsorbentes, así que son muy importantes para optimizar el uso de los mismos. Los datos experimentales del equilibrio de sorción para Cr(III) en los cuales se varió la [Cr(III)]o entre 10 y 225 mg/L, en las condiciones óptimas fueron analizados utilizando los modelos de Langmuir, Freundlich y de Dubinin-Radushkevich. A fin de investigar la cinética del mecanismo de adsorción de cromo en quitina, utilizando concentraciones iniciales iguales a 25, 40, 75 y 100 mg/L de Cr(III), se obtuvieron las constantes de velocidad según los modelos de pseudo primer(Lagergren) y pseudo segundo orden (Ho y McKay). Se realizaron experimentos con cromo hexavalente para apreciar la interacción de quitina, ya que existen dos mecanismos que explican la eliminación de Cr(VI). Las propuestas de los Mecanismos I y II se diferencian en los estados de oxidación de cromo implicados en el proceso de sorción en la superficie del material. En función de los resultados obtenidos, se concluye que es factible la eliminación de cromo trivalente utilizando quitina. La capacidad de adsorción máxima de Cr(III) determinada para la quitina fue de 4,2 mg/g, a pH 4,5. La energía de sorción E, energía libre de transferencia de un mol de Cr(III) de la solución a la superficie de biomaterial, se calculó en 11,7 kJ/mol, por lo cual el proceso de sorción es químico. La correlación de los resultados con el modelo de pseudo segundo orden (R2 varía entre 0,98-0,99) sugiere que la etapa limitante en el proceso es la fijación del adsorbato. El mecanismo implicado en el proceso de retención es la quimisorción, mecanismo subyacente a la ecuación de pseudo segundo orden. El Cr(VI) se elimina de la solución acuosa por un proceso de adsorción, acoplado a una posterior reducción sobre la superficie de la quitina, es decir por un Mecanismo II.