En el capitulo anterior, se describieron detalladamente algunas de las propiedades fisicoquímicas más importantes de los adsorbentes cerámicos granulares basados en PTP-almidón de papa-vidrio pyrex, entre las cuales, se resaltaron, la distribución del tamaño de partícula, la composición química y de fases cristalográficas, la porosidad y el área superficial especifica, así como la morfología. La importancia del conocimiento de las propiedades antes mencionadas, corresponde a la primera etapa a considerar en el procesamiento de remoción de iones metálicos por adsorbentes inorgánicos. En este apartado se describirá el comportamiento del adsorbente ante medios acuosos: ácidos, neutros y básicos con soluciones conteniendo iones divalentes.
De igual manera, se presentan los resultados de las principales propiedades de adsorción evaluadas para cada sistema de iones metálicos, así como para cada modo de adsorción (estático o dinámico). Es muy importante remarcar que únicamente se evaluaron los resultados y mecanismos principales de adsorción que permitan confirmar la funcionabilidad de los adsorbentes desarrollados.
3.5.2.1 Comportamiento del pH en soluciones acuosas sin iones
metálicos con adsorbentes sinterizados a 800 y 1100ºC.
Con la finalidad de estudiar el comportamiento de los adsorbentes granulares basados en PTP-almidón de papa-vidrio, ante los medios acuosos, se evaluó el comportamiento del pH de los adsorbentes al estar en contacto con agua destilada, antes del proceso de adsorción.
El estudio del comportamiento del pH, se realizó en muestras conteniendo adsorbentes en dos diferentes dosis de adsorbente: 10 y 15 g/L respectivamente, estos adsorbentes fueron tratados previamente a su vez, a dos temperaturas de sinterización: 800 y 1100° C, cada uno respectivamente. El tiempo de contacto se determinó en un intervalo de tiempo desde 0 hasta 24 horas, la medición del pH se realizó en muestras con intervalos de tiempos de contacto de 1, 2 ,3 y 24 horas, para cada caso. En todos los casos los valores de pH, fueron mayores a 8.5. La tendencia en los adsorbentes con 8% de KOH y sinterizados a 1100º C aumentó, lo cual es debido probablemente a la protonación de las superficies de las partículas, así como a la regeneración continua de las superficies por efectos de exfoliaciones en el adsorbente. El adsorbente con 8% de KOH tratado térmicamente a 1100° C y con dosis de 10g/L, fue el material que presentó los valores de pH más apropiados, para los
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estudios de las propiedades de adsorción. Lo anterior debido a la presencia de una fracción menor de K2O sin reaccionar remanente, presente a esas condiciones.
En la tabla 3.7 se presentan los resultados obtenidos para la medición del pH, en soluciones conteniendo adsorbente-agua (experimentos estáticos).
De los resultados obtenidos en la medición del pH en los medios adsorbente- agua, se seleccionaron los valores de pH, para ser aplicados en las dos formas de experimentación (estática y dinámica).
Por otra parte, se considera, que la adsorción de metales pesados por adsorbentes basados en titanatos de potasio, esta fuertemente influenciada por el pH del medio. Dicho efecto, permanece en función del nivel de la disponibilidad de iones metálicos en su forma adsorbible en solución y al nivel de la activación de los iones y/o grupos funcionales (potenciales centros de adsorción) en la superficie del adsorbente.
Para comprobar los aspectos antes mencionados, se evaluaron ambos efectos por separado, aplicando dos cationes divalentes; Pb2+ y Ni2+ (modos: estático y en columnas:dinámico) y adsorbentes cerámicos granulares basados en titanatos de potasio
.
Tabla 3.7. Resultados de la medición de pH, en soluciones conteniendo agua destilada y dos diferentes dosis de adsorbente:10 y 15 g/L de adsorbentes basado en PTP-almidón-vidrio
.
Muestra Identificación Temperatura de
Sinterizado. (ºC) Tiempo de Contacto pH
PTK 800-8% KOH 800 0 10.27 1 10.45 2 10.45 3 10.45 24 10.35 PTK 1100-8% KOH 1100 0 9.06 1 9.15 2 8.70 3 8.80 24 8.52 PTK 800-15% KOH 800 0 10.76 1 10.82 2 11.40 3 11.30 24 11.45 PTK 1100-15% KOH 1100 0 11.15 1 11.50 2 11.75 3 11.70 24 11.87
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3.6 Experimentos de adsorción de Pb
2+.
Posterior al estudio del comportamiento del pH de las soluciones al estar en contacto con el adsorbente en agua, se seleccionaron para el presente estudio, dos cationes de diferentes grupos de la tabla periódica (plomo y níquel), de carga (+2), con baja tendencia de experimentar reacciones de óxido-reducción, con el fin de eliminar interferencias, que no fueran atribuidas exclusivamente al pH. En las gráficas de las figuras: 3.41 a 3.44 (estáticos con Pb), 3.65 a 3.69 (dinámicos con Pb) y de la 3.55 a la 3.58 (estáticos con Ni), se muestran los resultados del efecto del pH, ante los cationes citados, los cuales pueden analizarse desde 3 puntos de vista: 1) superioridad del plomo frente al potasio como adsorbato, 2) heterogeneidad en la diferencia de adsorción de los cationes y 3) el efecto del pH y la química acuosa del ion metálico.
Anteriormente se ha demostrado, la superioridad del ion plomo frente al ion potasio como adsorbato en condiciones similares (Shukla y Pai, 2005; Martins et al, 2004; Arica et al, 2004). Dicha superioridad resulta explicable en base al concepto de acidez de Lewis, definida como la relación masa:carga del catión. Poseer una gran masa, involucra tener un volumen adecuado, que favorezca una eficiente separación de cargas dentro del ion metálico, permitiendo una alta polarizabilidad dentro del ion, que minimiza las repulsiones electrón- electrón, entre adsorbente y adsorbato. En otras palabras, si tenemos cationes isovalentes, el ion de mayor peso atómico, será adsorbido mejor y más eficientemente, en comparación con los demás, debido a su acidez, y su interacción con el adsorbente será favorecida. Esta hipótesis ha sido corroborada por estudios anteriores (Pagnanelli et al, 2003; Mohopatra y Gupta, 2005).
La heterogeneidad de las diferencias en adsorción, puede atribuirse a la sensibilidad del adsorbente frente al pH para la adsorción. En algunos adsorbentes biológicos (algas), los polialginatos (polianiones) están fuertemente influenciados por el pH y responden con mayor intensidad a dicha alteración. En cambio los grupos funcionales polares no cargados, como los que están presentes en los demás adsorbentes perciben la alteración, pero no en la misma intensidad, que los demás grupos cargados. Este efecto será analizado en más detalle.
La última consideración es la química acuosa del ion metálico, juega el rol más importante que desempeña el pH, en la adsorción de iones metálicos (Pagnanelli et al, 2004). Los metales de transición, entre los cuales se encuentran la mayoría de los metales pesados, se caracterizan por su habilidad en la formación de complejos de coordinación con ligandos que poseen pares de electrones libres en busca de la estabilización de sus orbitales d, vacantes o parcialmente llenos. La molécula de agua, es catalogada, como un excelente ligando (Barán, 1995; Cotton y Wilkinson, 1997) y la formación de acua- complejos con cationes metálicos en solución acuosa, es inevitable. A mayor número de ligandos rodeando un catión metálico, mayor será su radio iónico y su volumen, convirtiendo al catión en una especie impedida, para una eficiente interacción, con la superficie del adsorbente. La formación de complejos con el
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agua, se regula mediante el pH, ya que a altos valores de pH, la concentración de iones oxidrilo, aumenta en la solución y es capaz de formar hidroxo- complejos, los cuales no sólo aumentan el volumen del catión, sino que disminuyen su carga neta, disminuyendo también su afinidad con el adsorbente.
3.6.1 Variables consideradas en la investigación de los procesos de