fibra residual, una alternativa de mitigacion para la contaminacion ambiental
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Articulo contenido de una investigación realizada, sobre la utilización de un residual común en la industria aceitera, dicho residual permite mitigar la contaminación causada por las aguas residuales generadas en el mismo sector industrial.TRANSCRIPT
Evaluación de la fibra residual del proceso de extracción de aceite de
palma africana (Elaeisguineensis), como adsorbente de aceite en aguas
residuales emulsionadas.
(Evaluation of the residual fiber extraction process palm oil Elaeisguineensis as
adsorbent emulsified oil wastewater)
Johanna Margarita Castellar Cohen1
1Departamento de Producción y Calidad, Oleoflores S.A., Extractora de Aceites María La
Baja, Bolívar (Colombia).
E-mail: [email protected]
26 de junio 2014
RESUMEN
Los altos índices de contaminación ambiental causados por el vertimiento de aguas
residuales industriales a las diferentes fuentes hídricas fueron las razones por la cual se
propuso evaluar la fibra residual de un proceso de extracción de aceite de palma africana
(Elaeisquineensis), como adsorbente en aguas residuales emulsionadas por medio de un
sistema por lotes como alternativa viable.
Se realizó inicialmente la caracterización de las aguas residuales emulsionadas y de la
fibra residual, provenientes de una planta extractora de aceites, obteniendo datos de
turbidez, temperatura, conductividad, pH, DBO, DQO y estructura química,
respectivamente. Luego se evaluó la cantidad de aceite removido a través de un diseño
experimental que involucró cuatro variables a dos niveles, uno bajo y uno alto, cuya
variable de respuesta fue la concentración final de la fase liquida en el equilibrio.
La capacidad de remoción del material utilizado se determinó a partir las isotermas de
adsorción obtenidas por aplicación de los modelos matemáticos de Freundlich y Langmuir.
Luego de realizado el procedimiento experimental, se concluyó, que la fibra residual
proveniente de la extracción de aceite presenta un porcentaje de remoción del 85% al
mantener la temperatura en 25ºC, un pH de 8,5, una agitación de 80 rpm y utilizar una
relación A/E de 1/80 con partículas de 2mm en concentraciones bajas. Bajo estas
condiciones se evidencio que el proceso de adsorción de aceite se lleva a cabo por llenado
multicapa.
Palabras clave: Remoción, Isotermas, Turbidez, Residual, emulsión, absorción, ambiental,
fibras, aglomeraciones.
SUMMARY
The high levels of environmental pollution caused by the dumping of industrial waste water
to different water sources were the reasons why is proposed to evaluate the residual fiber of
a process of extracting palm oil ( Elaeisquineensis ) as adsorbent in wastewater emulsified
by means of a batch system as a viable alternative .
Was initially characterizing emulsified wastewater residual fiber, from an oil- extracting
plant, obtaining data from turbidity, temperature, conductivity, pH, BOD, COD and
chemical structure, respectively. We then evaluated the amount of oil removed through an
experimental design involving four variables at two levels, one low and one high, whose
response variable was the final concentration of the liquid phase at equilibrium.
The removal capacity of the material used was determined from the adsorption isotherms
obtained by applying Langmuir and Freundlich mathematical models.
After conducted the experimental procedure it was concluded that the residual fiber from
the extraction of oil presents a of 85% to maintain the temperature at 25 ° C, pH 8.5 , an
agitation of 80 rpm and using a relationship A / E from 1/80 to 2 mm particles at low
concentrations. Under these conditions it was shown that the oil adsorption process is
carried out by filling multilayer.
Keywords: Removal, isotherms, Turbidity, Residual, emulsion, absorption, environmental,
fiber agglomerations.
Introducción
La contaminación es uno de los
problemas ambientales más importantes,
un ejemplo es el vertimiento de aguas
residuales de los procesos industriales que
llegan hasta ríos, lagunas y mares,
llevando consigo trazas de sustancias
difíciles de retirar por medio de
tratamientos naturales, como es el caso
de las aguas con aceites emulsionados
proveniente de las plantas de extracción
de aceites.
Al llevar a cabo el proceso de extracción
de aceite de palma africana se generan
grandes cantidades de desperdicios
sólidos, como: hojas, racimos, fibras,
cáscaras y efluentes. Algunos de estos
residuos sólidos se utilizan como
combustible, para generación de vapor y
otros simplemente se desechan y se
exponen a la intemperie; sin embargo, la
combustión natural que se presenta luego
de un tiempo de exposición al sol, de
estos materiales y el escape de aire
proveniente de la maceración en forma
circular con incorporación de vapor,
correspondiente a la etapa de digestión
dentro del proceso de extracción, causan
contaminación atmosférica [1].
El vertimiento de las aguas residuales
emulsionadas con aceite genera
contaminación directa a los ríos, cultivos
y zonas verdes cercanas a la zona de
descarga, puesto que impide la
oxigenación. Además propicia
enfermedades gastrointestinales como
cólera y hepatitis infecciosa por efecto del
baño en aguas o la ingestión de alimentos
contaminados [2,3]. Los daños causados
a las fuentes hídricas, por los
contaminantes generados en el sector
industrial, se catalogan como uno de los
principales problemas que actualmente y
desde hace mucho tiempo se confrontan.
Por ello se buscan alternativas que puedan
evitar o mitigar estos daños; sin embargo
la mayoría se enfocan en el uso de
recursos fósiles y subproductos de origen
petroquímico, los cuales, debido su uso
excesivo, amplían el numero de
contaminantes en el medio ambiente.
El uso de adsorbentes naturales es eficaz,
debido a su bajo costo y la adecuación de
conceptos como tecnologías más limpias,
supera a métodos tradicionales como las
lagunas de oxidación, la evaporación al
vacío, entre otros.
Según lo investigado, desde el 2009 se
han probado diversos adsorbentes en la
limpieza de aguas oleosas; siendo los
biomateriales una de la opciones con
mayor factibilidad. En este sentido,
investigadores de la Universidad Central
de las Villas evaluaron la capacidad de
remoción del bagazo de caña de azúcar
determinando así la masa de hidrocarburo
sorbido por gramo de material sorbente a
diferentes granulometrías con el
hidrocarburo utilizado [4]. En la
investigación realizada por el
departamento de Química de Uttarakhand
India, también fue considerado el uso de
Copolimeros, específicamente di-vinil-
benceno y Estireno para remover aceite
emulsionado en aguas, pero era necesario
estabilizar la acción con distintos
surfactantes [5]. Conservando
características muy similares a los
adsorbentes antes mencionados y
teniendo en cuenta que su producción es
abundante y poco aprovechada, la fibra
residual resultante de la etapa de digestión
en el proceso de extracción de aceites de
palma africana, es un medio adsorbente
alternativo para el tratamiento de aguas
residuales emulsionadas.
Este tipo de investigación, permitió
ampliar la información existente sobre las
estrategias y medios para la remoción de
aceites en aguas residuales emulsionadas,
ya que se propuso utilizar una fibra
residual, considerada desecho en las
industrias aceiteras de la región Caribe e
incluirle dentro de la lista de materiales
utilizables como adsorbentes de aceites en
aguas residuales, Implementando los
modelos matemáticos que mejor se
ajustaron a la adsorción de los residuos
para determinar las isotermas de
adsorción en la remoción de aceites
emulsionados.
Se generaron resultados positivos en
cuanto al rendimiento de adsorción del
material, en las pruebas realizadas en los
laboratorios de Mecánica y Química
Analítica de la Universidad de Cartagena,
sugiriendo la de implementación de esté a
nivel industrial y así contribuir al
desarrollo sostenible de la región Caribe.
Materiales y métodos
Muestra
La muestra tomada para el desarrollo de
este proyecto consistió en 400 ml de
aceite crudo, 250 ml de agua de las
lagunas de oxidación 1 y 3 del complejo
de lagunas existentes en la extractora y
residuo sólido húmedo heterogéneo
(Presencia de cascarilla, cocos enteros y
partidos), de color amarillo, olor dulce.
Recolectados los días 3 y 12 de abril del
año 2013, en la empresa extractora de
aceite Hacienda las flores, María la baja,
Bolívar. En él Anexo B se pueden
observar evidencias de la recolección de
las muestras.
Las pruebas se llevaron a cabo en el
laboratorio de operaciones unitarias de la
Universidad de Cartagena, consistió en un
diseño experimental de 24 con replicas, es
decir 32 muestras de 200 ml de solución
sintética de agua residual oleosa,
preparadas con aceite crudo, agua
destilada y detergente como
emulsionante.
Procedimiento
Caracterización de las aguas residuales
generadas por las empresas extractoras
de aceite de palma africana.
Se tomaron muestras de dos lagunas de
oxidación existentes dentro de la empresa
extractora de aceite Hacienda las Flores,
María la Baja, Bolívar. Se procedió a
caracterizarlas en los laboratorios de
análisis fisicoquímico de la Facultad de
Química y farmacia de la Universidad de
Cartagena.
Preparación del material adsorbente.
Al tomar la muestra de fibra residual fue
necesario realizar un pre tratamiento que
consistió en un lavado con agua destilada
y secado a 80°C durante 24 horas, con el
fin de remover suciedad e impurezas,
para evitar transformaciones bioquímicas
[6,7].
Con el fin de homogenizar el tamaño de
la fibra residual, se realizó un proceso de
molienda por impacto y cizallamiento,
utilizando un molino de rotor a una
velocidad de rotación de 1700 rpm.
Luego Para obtener los diámetros de
partículas necesarios se llevó a cabo el
tamizado en seco del material molido, en
un equipo de tamizado tipo vaivén, donde
se agitó la columna de superficies
provista de orificios que variaron de 0, 2 a
2 mm de diámetro, en orden ascendente
[8]. La clasificación se realizó mediante
una serie de tamices, donde se
seleccionaron los siguientes tamaños
0,25; 0,355; 0,5; 1 y 2 mm,
correspondiendo a mallas # 60, 45, 35, 12
y 10,según Norma ASTM. Del tamizado
se obtuvieron 5 diferentes diámetros; sin
embargo algunas cantidades fueron
despreciables, reduciendo el resultado a 3
diámetros de partícula, utilizables. De los
cuales se selecciono un nivel bajo y uno
alto, 1mm y 2mm, respectivamente.
Caracterización del material
Durante la etapa de digestión del proceso
de extracción de aceite de palma africana,
se generó una fibra residual porosa,
similar al aserrín; esta fue caracterizada,
mediante espectroscopia infrarroja (IR) en
los laboratorios de análisis fisicoquímico
de la Facultad de Química y Farmacia de
la Universidad de Cartagena, con el fin de
conocer los grupos funcionales que la
componen, el espectro resultante se
evidencia en la sección de resultados.
Obtención de soluciones sintéticas
Basados en la información obtenida
(Concentración de aceite, pH), a partir de
los análisis característicos, hechos a las
aguas residuales provenientes de la
extracción de aceites de la palma africana,
se prepararon aguas emulsionadas con
aceite. Inicialmente se prepararon 10
muestras de emulsiones a concentraciones
diferentes para crear la curva de
calibración con la turbidez, a través de la
formula , conociendo el v= 500
ml y las concentraciones deseadas se
obtuvieron los gramos de aceites
necesarios para las emulsiones; Además
se adicionó detergente
(Tetrapropilenbenzolsulfonatiosung 5%)
en una relación de 1:7 y se agitó a 1640
rpm durante 3 minutos [9, 10, 11].se
puede apreciar las concentraciones de
estas emulsiones sintéticas en la sección
de resultados.
Cinética de adsorción y tiempo de
contacto
El tiempo de contacto con el que
finalmente se llevó a cabo el ensayo
experimental (t = 15 min), se obtuvo a
través de pruebas preliminares, donde se
calculó primero el porcentaje solo de agua
adsorbido por la fibra, luego de aceite y
finalmente de emulsión, se evaluó la
cantidad de sustancia adsorbida por la
biomasa en el tiempo, durante 45 minutos
con intervalos de 5 minutos, los datos se
evidencia en la sección de resultados [12].
Ensayo experimental
En cada beaker, se procedió a verter la
emulsión preparada de aceite crudo y
agua, se agregó una dosis de 2 ó 2,5g, y
un tamaño de partícula de 1 mm ó 2 mm.
Para cada concentración, en un tiempo de
contacto de 15 minutos. Una vez
finalizado el tiempo, se midió turbidez del
líquido y se retiró la fibra de la emulsión,
se dejó escurrir al ambiente durante 5
minutos y se procedió a hacer el análisis
SOXHLET correspondiente, para
verificar la efectividad de la fibra
empleada. [13]
Se realizaron pruebas SOXHLET (Figura
3.6) con un factor de 24 sin replicas,
donde se colocó el solvente en un balón,
en este caso hexano [40], que se calentó
hasta llegar a su punto de ebullición (69
ºC), donde se evapora hasta un
condensador a reflujo; el condensado cae
sobre un recipiente que contiene un
cartucho poroso constituido por papel
filtro con la muestra de fibra impregnada
de Aceite en su interior. El ascenso del
nivel del solvente cubre el cartucho hasta
un punto en que se produce el reflujo y
desciende el solvente con el material
extraído al balón. Se repite este proceso la
cantidad de veces necesaria para que la
muestra quede agotada y lo extraído se va
concentrando en el balón del solvente,
este proceso dura aproximadamente 12
horas.
Obtención de las isotermas de adsorción
Se obtuvieron las cantidades de
concentraciones de aceite adsorbido por
la fibra, bajo cada condición planteada,
estos valores se dividieron entre la
cantidad de adsorbente utilizado, dando
como resultado , es decir la capacidad
de intercambio en el equilibrio.
Conociendo ese dato se construyo la
isoterma que relacionó la capacidad de
intercambio con la concentración de
equilibrio de la fase liquida en el tiempo,
evidenciando el tipo de isoterma que
representó.
Posteriormente se construyeron las
isotermas en base a los modelos de
adsorción de Langmuir y Freundlich, para
poder determinar el comportamiento del
proceso en el material utilizado.
Resultados y discusión
Adsorbente
Para llevar a cabo la determinación de los
espectros FTIR, las muestras fueron
sometidas a un proceso de secado, las
cuales una vez exentas de humedad se
encapsularon en discos de bromuro
potásico. El rango de frecuencias
empleado fue el comprendido entre 200 y
4000 cm-1.
Figura 1. Espectro de la fibra residual del proceso
de extracción de aceite de palma africana.
El análisis FTIR muestra los grupos más
representativas del material, estos se
caracterizan por ser hidrófobos, es decir
que repele el agua y por ser oleofilicos, es
decir que tienen gran afinidad con los
aceites y grasas. Las intensidades de
absorbancia indican que entre más alta
estén, más concentrada estará la zona de
compuestos; el material con el que se
trabajó muestra una amplia presencia de
alcoholes, carboxilicos y carbonilicos,
estos a su vez se encuentran a una
intensidad media.
Frecuencia
( )
Grupo
funcional
Características
Intensidad
(%)
3,980-3443
2837-2457
Alcoholes
Hidrófobos y
oleofilicos
15.87
3390-3105
Carboxilicos
Hidrófobos y
oleofilicos
14.9
1257-1041
Carbonilicos
Hidrófobos y
oleofilicos
9.78
Tabla 1. .Resumen de los grupos funcionales que
conforman el espectro del material adsorbente
utilizado.
Los tres picos que resaltan en la
caracterización indican la presencia de
grupos funcionales hidroxilos, cuya
característica adsorbente principal es la
hidrofóbica, confirmando así la
factibilidad de este material a la hora de
adsorber aceites en aguas residuales [14].
Cinética y tiempo óptimo
Las curvas de calibración, muestran la
cinética de la fibra, inicialmente a una
concentración baja de aceite (Prueba A)
donde se pueden apreciar que hasta los
primeros 15 minutos de contacto la
concentración de aceite en el recipiente
disminuyo notablemente, pero luego se
mantuvo constante, en el caso de
concentraciones altas de aceite (Prueba
B), el comportamiento en el tiempo es
similar, dejando visualizar que luego de
15 minutos y de una disminución de la
concentración, esta pasa a ser constante.
Figura 2. Prueba A, Concentración= 195,8 mg/L
pH= 5,9 Turbidez= 2842 m= 2 Diámetro de
partícula= 2 mm Volumen= 350 ml sin agitación
Temperatura= 25°C.
Figura 3. Prueba B, Concentración= 1692 mg/L
pH= 4,10 Turbidez= 5245 m= 2 Diámetro de
partícula= 2 mm Volumen= 350 ml sin agitación
Temperatura= 25°C.
Al finalizar el experimento se aplicó una
prueba de extracción con Soxhlet a cada
uno de los materiales adsorbentes
utilizados. La prueba Soxhlet nos
confirma con un dato aproximado, la baja
remoción de aceite por parte de la fibra
residual, para altas concentraciones
debido a que hay una saturación del
material con aceite lo cual obstruye el
proceso de adsorción; sin embargo para
bajas concentraciones se puede decir que
es más alta la remoción obtenida a partir
de soxhlet en comparación con los
cálculos hechos a partir de la curva de
calibración, esto se presenta debido a que
esta curva fue realizada a partir de datos
de turbidez, donde al adicionar fibra en
concentraciones de solución bajas el
material afectaba la lectura del
turbidimetro. Los experimentos de
cinética dan como conclusión un tiempo
optimo de contacto de 15 minutos debido
a que a partir de este tiempo se mantiene
constante la adsorción.
Ensayos Batch
Debido a los errores en la lectura de la
turbidez de la emulsión, causados por el
comportamiento del material adsorbente
al entrar en contacto con la emulsión y la
agitación aplicada a la prueba, se desistió
de continuar los cálculos con los datos
obtenidos a través del método de turbidez;
sin embargo se llevo a cabo el método de
extracción por soxhlet a las biomasas
utilizadas en la fase experimental anterior,
debido a que en pruebas preliminares se
observó una buena relación entre ambos
métodos, estos datos obtenidos se
evidencian a partir de la Tabla 2.
Efecto del tamaño de partícula en los
experimentos
Para los experimentos a concentraciones
bajas e independientemente de la
agitación, se presentó una mayor
adsorción de aceites al utilizar el tamaño
de partícula más grande (2mm); Esta
200
(mg/L)
2000
(mg/L)
Cq
1 mm
2 mm
1 mm
2 mm
Agitación
(rpm)
1/100
1/80
1/100
1/80
1/100
1/80
1/100
1/80
0
87
72
78
68
1892
1869.5
1911.5
1911
80
88.5
85
68
30
1923.5
1906.5
1898
1885.5
Tabla 2. . Resultados de las pruebas SOXHLET ambas concentraciones.
misma condición persiste en
concentraciones altas, cuando hay
agitación.
Sin embargo cuando la agitación es nula
el tamaño de partícula más pequeña
(1mm), es mejor adsorbente, esto se
debió a que, la retención de adsorbato
por parte del material es proporcional al
área superficial, la cual, a su vez, depende
del tamaño de partícula y de la estructura
interna de las partículas de adsorbente.
Por tanto cuanto menor sea el tamaño de
partícula, mayor será el área superficial
del adsorbente y en consecuencia, mayor
el número de centros activos disponibles
para la adsorción [15].
La explicación a la diferencia en estos
resultados está ligada a la agitación en los
experimentos.
Efecto de la agitación en los
experimentos
La aplicación de la agitación al
experimento genera una mayor adsorción
de aceite, por parte del material de
particulado 2 mm; mientras que en los
experimentos con material adsorbente de
1 mm de diámetro le redujo el porcentaje
de adsorción con respecto a los resultados
obtenidos sin agitación,
independientemente de la concentración
que se manejo, esto se debió a que las
partículas de diámetro pequeño de fibra
residual del proceso de extracción de
palma africana, formaron aglomerados.
La agrupación espontánea o provocada de
partículas sólidas pequeñas que, debido a
fuerzas de adhesión internas o fuerzas
externas, forman un agregado de mayor
tamaño con cambio de algunas
propiedades físicas, se forman a partir de
el aumento de la tendencia a la adhesión
de los fragmentos formados por la
ruptura de materiales frágiles , quienes al
momento de entrar en movimiento en
presencia de líquidos o ligantes, se
adhieran en un sistema y aumentan de
tamaño, el aglomerado tiene algunas
ventajas como la ausencia o muy bajo
contenido de polvo, aumentando la
seguridad en la manipulación y evitando
pérdidas [16]; sin embargo para el
proceso de adsorción llevado a cabo, la
formación de aglomeraciones redujo el
área superficial del material y por ende la
capacidad de adsorción.
La anterior presunción se hizo en base a
observaciones durante los experimentos.
Figura 3. Agitación de la fibra residual usada
como adsorbente de aceite.
Efecto de la dosis de material en los
experimentos
Fue notorio durante toda la fase
experimental, que al adicionar mayor
cantidad de material adsorbente, mayor
era la cantidad de aceite adsorbido, esto
se debe a que el área de contacto entre
éste y el aceite suspendido es más grande,
es decir, el adsorbente se esparce y ocupa
todo el área transversal del recipiente que
contiene la emulsión.
Con el fin de conocer las condiciones
experimentales en las que se obtuvo
mayor adsorción de aceite por parte de la
biomasa utilizada, se calculó el porcentaje
de adsorción.
200 (mg/L)
2000 (mg/L)
q (%)
1 mm
2 mm
1 mm
2 mm
Agitación
(rpm)
1/100
1/80
1/100
1/80
1/100
1/80
1/100
1/80
0
56.5
64
56
66
5,4
6,53
4.43
4.45
80
55.75
57.5
66
85
3,83
4,68
5.1
5.73
Tabla 3. . Resultados de las pruebas SOXHLET porcentajes de adsorción.
En la Tabla 3 se puede observar que al
anular la agitación se mejora el proceso
de adsorción de aceite. El mayor
porcentaje de adsorción, 6.53, se alcanza
bajo condiciones de agitación nula, bajas
dosis de material (2 g), con una
concentración de aceite alta y diámetro de
partícula menor (1mm), esto debido al
mayor área superficial que se aprecia en
estado estático.
Dentro de los experimentos a baja
concentración, se observan
particularidades al momento de variar las
condiciones, cuando se manejan dosis
mayores de material adsorbente con
diámetro de partícula 1mm y agitación
nula, la adsorción es mucho mejor (64%);
sin embargo al trabajar con un diámetro
de partícula mayor y agitación nula, se
mejora este porcentaje y se supera por
mucho al aplicar agitación, es decir que
en el grupo por tamaños de partículas de 2
mm y 1 mm, el tamaño de 2 mm generó
un incremento significativo de remoción
de aceite puesto que posee un área de
contacto más elevado, permitiendo al
adsorbato conseguir una maximiza
capacidad de adsorción, además que al
comparar dentro de los dos grupos de
cantidades de 2 g y 2,5 g, se determina
que a medida que se aumenta la cantidad
de fibra, aumenta la cantidad de
remoción, porque cuando se tienen
cantidades altas de fibra, el área de
contacto entre ésta y el aceite es más
grande, es decir, la biomasa se esparce y
ocupa todo el área transversal del
recipiente que contiene el aceite.
La Tabla 3 Muestra que el mayor
porcentaje de adsorción, 85% se obtiene
bajo las condiciones, dosis alta de
material con partícula de diámetro 2mm
y agitación.
Distintas tecnologías se han
implementado para tratamiento de aguas
residuales, algunas de ellas son; Flotación
por aire disuelto, coalescencia, skimmer y
tecnologías emergentes , esta última es un
grupo de alternativas nuevas, que resultan
costo eficientes a la hora de ponerlas en
marcha, dentro de estas tecnologías se
encuentran, la aireación, floculación,
filtración, degradación biológica y
adsorción [17].
En esta investigación se hizo una
comparación entre tecnologías antes
mencionadas y materiales adsorbentes
previamente evaluados por otros
investigadores, con los resultados
obtenidos en el desarrollo de este
proyecto; esta información se evidencia
en las tablas 4 y 5, respectivamente.
La adsorción como alternativa de
eliminación de aceites y grasas en aguas
residuales tiene un porcentaje de
remoción del 85% y se ubica como una
tecnología física costo eficiente al lado de
otras ya utilizadas en la industria; además
de superar a alternativas biológicas como
el biofiltro.
En la adsorción se han utilizado
materiales adsorbentes de origen natural
bajo condiciones similares a las utilizadas
en la presente investigación.
Material
adsorbente
% q
Ref.
Paja de Cebada
88,1 [46]
Fibra residual
85 Propia
Aserrín de Kapoc
57 [45]
Tabla 5. Comparación de porcentajes de
adsorción entre materiales adsorbentes.
El material adsorbente utilizado en la
presente investigación se asemeja en
efectividad a la paja de cebada y supera al
aserrín de kapoc, materiales que han sido
utilizados e investigados anteriormente.
Tipo de
tecnologías
Tecnologías
Eficiencia
Biológicas
Biofiltro/lombifiltro
80%
Coalescencia
95 – 99%
Skimers
98%
Físicas
Flotación por
aireación
90%
Adsorción con fibra
residual
85%
Fisicoquímica
Oxidación
90%
Tabla 4. . Eficiencia en la adsorción de grasas y aceites de
diversas tecnologías.
Isotermas de adsorción
En base a los resultados obtenidos durante
la fase experimental se evaluaron dos
modelos de isotermas de adsorción que
permitieron conocer el comportamiento
de la fibraresidual proveniente del
proceso de extracción de la palma
africana, como adsorbente de aceites en
aguas residuales emulsionadas con aceite,
bajo las condiciones en las que se observo
mayor porcentaje de remoción.
Inicialmente se realizó una nueva etapa
experimental en la que se miro la
adsorción de aceite por parte de fibra
residual con diámetro de 2mm en el
tiempo, durante 12 horas, aplicándole una
agitación de 80 rpm y usando solo 2,5 g
de esta; pero en una concentración de
aceite de 1463 mg/L, para evidenciar
claramente las isotermas de adsorción.
La Figura 4 Muestra la dispersión de los
datos de la capacidad de retención versus
la concentración en el equilibrio de la fase
liquida, la cual permite visualizar el
comportamiento de estas dos variables.
Figura 4. Isotermas de Adsorción, grafica de los
datos experimentales.
La curva resultante de la dispersión de los
datos obtenidos experimentalmente tiene
un comportamiento similar a la isoterma
tipo IV, la cual es característica de solidos
mesoporosos, consiste en que se presenta
un incremento de la cantidad adsorbida,
mediante un mecanismo de llenado
multicapas, es decir que el sólido poroso
comenzó a adsorber en este caso aceite,
generando un aumento en su peso del
sólido hasta llenar la monocapa
(mantenerse constante), luego de un
tiempo continúa adsorbiendo e
incorporando el aceite en la superficie
creada por el aceite adsorbido
inicialmente (llenado multicapa) [18].
Los resultados experimentales de
adsorción en fibra residual fueron
utilizados para determinar los parámetros
de equilibrio de ambas isotermas. A tal
efecto se decidió usar modelos de
adsorción ampliamente utilizados como el
de Langmuir y Freundlich. Los modelos
permiten conocer la cantidad máxima
susceptible de ser fijada sobre el
adsorbente para una concentración en
disolución dada; es decir, la modelización
consiste en buscar una relación teórica
entre estos dos valores: Ce
(Concentración de la fase liquida en el
equilibrio) y qe (Capacidad de
intercambio en el equilibrio).
Ajuste de los modelos de Adsorció.
Los parámetros (Constante de
equilibrio) y (Cantidad máxima de
moléculas que pueden ser adsorbidas) de
las isotermas de Langmuir, y n de las
isotermas de Freundlich y los
coeficientes de regresión, fueron
obtenidos a través de la grafica vs
y log vs log q, respectivamente.
(a)
(b)
Figura 5. Calculo de parámetros de las isotermas
para diámetro de partícula del material. (A)
Langmuir (B) Freundlich.
z Langmuir Freundlich
0,0023 -----
20 -----
0,839 0,896
----- 1,615
------ 0,592
Tabla 6. Parámetros de los modelos de adsorción.
Cuando se habla del modelo de
Langmuir, se dice que la favorabilidad de
la adsorción depende del parámetro .
En la tabla anterior se puede observar que
el parámetro tiene un valor menor a la
unidad, lo que indica que la adsorción en
estos experimentos es favorable [19].
A continuación se grafica la isoterma de
Langmuir:
Figura 6. Isotermas de Adsorción, datos del
modelo de Langmuir.
La anterior figura se asemeja a las
isotermas de clase L que contiene curvas
del tipo Langmuir.
En estas no existe una fuerte competencia
por parte del solvente para ocupar sitios
en la superficie adsorbente o el adsorbato
contiene moléculas lineales en su esfera
de coordinación que conlleva a una mayor
adsorción axial paralela a la superficie.
Al realizar la dispersión de datos con el
modelo de Langmuir, se obtuvo un ajuste
de 0,9616; y el q= 20 indicó que la
capacidad de adsorción es buena, sin
embargo el valor de es de 0,0023, es
decir que el modelo confirma que la
afinidad entre adsorbato/ adsorbente es
baja.
En el modelo de Freundlich, la
favorabilidad de la adsorción es medida
con el parámetro n, se dice que la
adsorción es favorable si y solo si n
menor que la unidad. En la Tabla 4.24 se
puede observar que el parámetro tiene un
valor menor a la unidad, lo que indica que
la adsorción es favorable, según este
modelo. [20]
Los valores de están directamente
relacionados con la capacidad de
adsorción del material utilizado, un
mayor indica que el adsorbente posee
una alta capacidad de adsorción.
Figura 6. Isotermas de Adsorción, datos del
modelo de Freundlich.
La dispersión de datos con el modelo de
Freundlich, mostró un ajuste de 0,9865,
reafirmando la clase L de la isoterma y
con los valores obtenidos de n y Kf, se
demostró la favorabilidad en el proceso
de adsorción y la alta adsortividad del
material utilizado.
Analizando los coeficientes de regresión,
se observa que las curvas presentan un
buen ajuste en ambos modelos; sin
embargo teniendo en cuenta la forma
predominante de las isotermas obtenidas,
tipo IV, es decir, llenado por multicapas y
el coeficiente de ajuste mayor. Se puede
afirmar que la adsorción de aceite en
aguas emulsionadas con fibra residual
proveniente del proceso de extracción de
aceite de palma africana, está sujeto al
modelo de Freundlich.
Conclusiones
Al realizar la caracterización física y
química del material, mediante FTIR, se
observó que tiene una composición
químicas de carácter hidrofobica,
reflejado en las intensidades y la cercanía
a las bandas.
Se aplicaron dos métodos para el cálculo
de la variable de respuesta, dejando claro
la no aplicabilidad del método de lectura
de turbidez, debido a que impide el
análisis de datos cuando se aplica
agitación, en base a los resultados
obtenidos a través del método Soxhlet, se
determinó que la fibra residual utilizada
puede adsorber hasta un 85% del aceite
emulsionado en aguas residuales,
utilizando un tamaño de partícula de
2mm, agitando a 80 rpm y adicionando
una cantidad alta de material.
De acuerdo por lo observado al obtener
las isotermas de adsorción, se concluye
que el proceso de adsorción con fibra
residual se lleva a cabo por llenado
multicapas, debido a que el proceso de
adsorción se hizo constante a partir de los
15 minutos, luego a partir de las 2 horas
empezó a adsorber de nuevo hasta que a
las 6 horas nuevamente presento un
comportamiento constante, de acuerdo a
esto el material adsorbente es poroso, tipo
meso poroso.
Se evaluaron dos modelos de adsorción
para determinar el tipo de fenómeno que
se da entre las aguas emulsionadas y el
material adsorbente, encontrando que el
modelo que mejor se ajusta es el de
Freundlich (multicapas), con el cual se
pudo encontrar que la mayor capacidad de
retención de aceite en el material es de
112 mg/g.
Se presume que aplicar agitación a
partículas pequeñas de fibra residual,
genera aglomeraciones y por ende menor
capacidad de adsorción de aceites, esto se
puede demostrar a través de una prueba
de microscopia óptica.
Agradecimientos
Los autores agradecen al cuerpo docente
del programa de Ingeniería Química de la
Universidad de Cartagena, a la empresa
Extractora de Aceite María La Baja y
dedica esta investigación a Yenis
castellar, madre, padre y amiga.
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