Remoción de hidrocarburos de aguas contaminadas empleando columnas de adsorción de lecho fijo

FUNES, ISRAEL; CARLOS, LUCIANO; MUSSO, TELMA BELÉN; PAROLO, MARÍA EUGENIA

Congreso; V Congreso Nacional de Ciencia y Tecnología Ambiental de la Sociedad Argentina de Ciencia y Tecnología Ambiental. Argentina y Ambiente (AA2023). IV Simposio Iberoamericano de Adsorción (IBA-4); 2023

Remoción de hidrocarburos de aguas contaminadas empleando columnas de adsorción de lecho fijo I. Funesa*, L. Carlosb, T. Mussob y M.E. ParoloaaCentro de Investigación en Toxicología Ambiental y Agrobiotecnología, CITAAC (CONICET-UNCo), Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue. bInstituto de Investigación y Desarrollo en Ingeniería de Procesos, Biotecnología y Energías Alternativas, PROBIEN (CONICET-UNCo), Universidad Nacional del Comahue. Buenos Aires 1400, 8300 Neuquén, Argentina. isgerfunes@gmail.comResumenLas columnas de adsorción de lecho fijo son utilizadas frecuentemente en el tratamiento de aguas residuales. Para su construcción se empleó en el presente estudio adsorbentes de bajo costo sintetizados a partir de bentonitas de la región Norpatagónica, que fueron modificadas para incrementar su potencial de adsorción de hidrocarburos alifáticos y poliaromáticos. La modificación del mineral arcilloso consistió en un anclaje covalente e intercambio catiónico de un surfactante de amonio cuaternario (cloruro de (3-trimetoxisililpropil)octadecildimetilamonio, (TPODAC)) cuya estructura le confiere a la montmorillonita características hidrofóbicas y estabilidad química. Para evaluar la performance de la columna se seleccionó al antraceno (ANT) como hidrocarburo poliaromático modelo y una muestra de petróleo previamente caracterizada. El relleno de las columnas consistió en 5 % (para retener ANT) y 2% (para retener hidrocarburos totales de petróleo (TPH)) de bentonita modificada mezclada con una arena media cuarzosa que actuó como soporte. Se prepararon columnas de vidrio de longitud de lecho (HL) de 1 cm, 8,5 cm y 34 cm que fueron eluidas con un caudal de 10 mL/min de solución acuosa cuya concentración de alimentación (C0) fue 70 µg/L de ANT y 6 mg/L de TPH, respectivamente. En las condiciones ensayadas, la concentración de ANT a la salida de la columna resultó ser inferior a la concentración permitida en agua (4 µg/L), con HL de 8,5 cm luego de 12 L de muestra filtrada y la concentración de la fracción DRO (de mayor rango de ebullición del petróleo: C12-C25) fue inferior a 0,3 mg/L, con HL de 34 cm luego de 48 L de muestra filtrada. Los resultados obtenidos permitirán ampliar las potencialidades de las bentonitas en sistemas continuos para el control de la contaminación del agua con hidrocarburos.Palabras clave: adsorción, columnas, hidrocarburos, bentonitas, silanización.IntroducciónEl crecimiento de la producción nacional de petróleo y gas genera preocupaciones sobre los posibles impactos en la salud humana y el ambiente, principalmente los efectos en la calidad y cantidad de los recursos de agua superficial y subterránea. Ante este escenario, la demanda de tecnologías innovadoras y económicas que reduzcan la contaminación de estas se han convertido en una acción imprescindible. La problemática planteada es de particular significancia en la cuenca Neuquina, una de las principales productoras de hidrocarburos de la Argentina, donde el uso de agua dulce para extracción de hidrocarburos (hidroFracking) es elevado (millones de litros) y su destino final suelen ser sumideros, y donde, además de las actividades productivas, se observa un crecimiento exponencial en el desarrollo urbano en zonas próximas a los principales ríos de la región que utilizan este recurso para el consumo humano. Las técnicas para el tratamiento de aguas basadas en el uso de materiales naturales o residuos de actividades antrópicas, ya sea como adsorbentes o catalizadores heterogéneos, resultan de gran interés debido a que permiten la remoción de los contaminantes del medio de forma simple y económica1. En el presente trabajo, se utilizó una bentonita sódica previamente caracterizada y funcionalizada con TPODAC2 como adsorbente para reducir de manera eficiente la concentración de hidrocarburos en agua contaminada utilizando sistemas de adsorción/remoción continuos. Materiales y métodosSe utilizaron columnas de vidrio de 1,46 cm de diámetro interno y alturas de lecho variables (HL:1 cm, 8,5 cm y 34 cm) rellenas con una mezcla de bentonita modificada (adsorbente) y arena media, bien seleccionada y cuarzosa (soporte). Para la síntesis del adsorbente se dispersó la bentonita cruda en una solución etanol/agua (75/25 V/V), se agregó el agente silanizante (TPODAC) y se calentó a reflujo durante 5h a 80ºC. El sólido (Mt-TPODAC) fue lavado y secado en estufa para preparar posteriormente la mezcla adsorbente/arena. El caudal de las soluciones (Q) fue controlado con una bomba peristáltica colocada en el extremo inferior de la columna. Las muestras de salida se recogieron a intervalos de tiempo medidos para posteriormente analizar su concentración. La concentración de ANT fue determinada utilizando un Espectrofluorómetro HITACHI (ex: 250 nm) y la concentración de TPH por cromatografía gaseosa con detector FID. A partir de la curva de ruptura (C/C0 vs tiempo de elusión), el tiempo de ruptura (tb), el tiempo de saturación del lecho (ts), la longitud de lecho (HL) y la concentración en el tiempo de ruptura (Cb), se calcula la capacidad útil del lecho (qu)3, ec 1, y la longitud de la zona de transferencia de masa (MTZ), ec.2. que son parámetros característicos del desempeño del sistema. Resultados y discusiónLa grafica 1A muestra las curvas de ruptura para dos longitudes de lecho (1 y 8,5 cm) de los ensayos continuos durante 22 h con ANT. Para una altura de lecho (HL) de 1 cm el tiempo de ruptura (tb) fue de 5 min y la capacidad útil del lecho (qu) 26µg/g; sin embargo, para una longitud de lecho de 8,5 cm no se alcanza la ruptura en el tiempo de ensayo y la concentración de ANT alcanzada al final del ensayo fue 2,3 µg/L. La gráfica 1B muestra las curvas de ruptura para agua contaminada con petróleo para tres longitudes de lecho (1, 8,5 y 34 cm). Los parámetros de la curva de ruptura se presentan en la Tabla 1. Los valores de MTZ no se obtuvieron debido a que no se alcanzó la saturación del lecho. El tiempo de ruptura (tb) y la capacidad de adsorción del lecho (BC) aumenta con la altura de lecho debido al incremento de la cantidad de sitios activos vacantes en el lecho y el tiempo de residencia (tR) de los hidrocarburos en la columna. La capacidad útil de lecho (qu) fue menor para la fracción más liviana del petróleo (GRO) debido a su menor hidrofobicidad; mientras que para la fracción de mayor punto de ebullición (DRO) se obtuvieron mayores valores de qu. El efecto de la longitud de lecho (HL) en los valores de qu muestra que para 34 cm de longitud se alcanza un mayor aprovechamiento de los sitios activos al incrementar el tiempo de residencia de la columna. Gráfica 1. Curvas de ruptura obtenidas en distintas alturas de lecho. A: C0 ANT = 70 µg/L. B: C0 TPH = 6 mg/L. Caudal = 10 mL/minTabla 1. Eficiencia de las columnas de adsorción para hidrocarburos de petróleo de diferente rango de ebullición Adsorbatom1 (g)HL (cm)tR (min)tb (min)Cb (a tb)adsorción a tb a C/C0 = 0,1BC2 (mg)qu (mg/g)GRO0,0801,00,070,70,270,020,2DRO 37,10,291,011,9GRO0,4338,50,601,20,260,030,1DRO 1200,323,512,2GRO1,69634,02,518,20,270,200,1DRO13200,2734,920,61m: masa de adsorbente. 2BC: capacidad de lecho=( Q(C0-Cb) t ruptura) /1000ConclusionesLos ensayos de adsorción en sistemas dinámicos permitieron evaluar la influencia de la longitud de lecho de la columna en el tiempo de ruptura y concentración final del efluente para seleccionar las variables operacionales adecuadas de acuerdo con el objetivo ambiental determinado por los límites permisibles de la legislación. Referencias1.Lamichhane, S., Bal Krishna, K.C., y Sarukkalige, R. (2016). Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) removal by sorption: A review. Chemosphere 148, 336-353.2.Funes, I.G.A., Peralta, M.E., Pettinari, G.R., Carlos, L., y Parolo, M.E. (2020). Facile modification of montmorillonite by intercalation and grafting: The study of the binding mechanisms of a quaternary alkylammonium surfactant. Appl. Clay Sci. 195, 105738.3.Freitas, E.D. de, Almeida, H.J. de, y Vieira, M.G.A. (2017). Binary adsorption of zinc and copper on expanded vermiculite using a fixed bed column. Appl. Clay Sci. 146, 503-509.