2.4.2.1 Estudios dinámicos de adsorción en columnas para Pb2+ y Ni2+
utilizando PTK granulares.
En las últimas décadas se han publicado un gran número de artículos relacionados con el diseño y comportamiento de los lechos de carbón activado (Bais et al, 2005; Kim et al, 2004; Das et al, 2004). La metodología para abordar el estudio del diseño de las columnas puede variar en función del enfoque, que se le de al sistema. En esta Tesis se ha aplicado un método basado en el descrito originalmente por Michaels, 1952, para resinas de intercambio iónico y posteriormente, por Weber, 1972 y Lukchis, 1973, para lechos de carbón activado.
Las características de las columnas utilizadas en esta investigación fueron: Tamaño de partícula=0.25-3 mm, volumen de la columna=175 ml, volumen de adsorbente= 53 ml, densidad= 3.1, peso de adsorbente= 170g, volumen de solución= 35 ml, tipo de reacción= intercambio catiónico, pH=de 3.5 a 5.8, velocidad de elusión= 2.33 ml/min., contenido (volumen) después del drenado 50%, concentración inicial del ion metálico en solución≈150 mg de Me2+/L. 2.4.2.2 Determinación de las características de las columnas:
De la información encontrada en la literatura, se consideraron los siguientes parámetros en los experimentos en columnas, dichos parámetros se utilizan para determinar los factores fisicoquímicos que influyen en el proceso de
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adsorción de iones metálicos sobre los adsorbentes cerámicos. Estos parámetros son:
1) El volumen de rotura (VB), es el volumen de efluente tratado hasta el punto de rotura de la columna. Se ha considerado, arbitrariamente, que este punto se alcanza cuando la concentración relativa del efluente es de 0.02. La cantidad adsorbida en el punto de rotura se denomina XB a saturación Xs.
2) La capacidad fraccional (Ф) se define como la cantidad de soluto adsorbido por el adsorbente en la ZTM en relación con la capacidad del adsorbente en esta zona. Es una medida de la eficiencia del adsorbente localizado dentro de la ZTM, de forma que cuanto mayor sea ésta, mayor será el valor de Ф. Los valores de Ф se sitúan entre 0 y 1 y se obtienen según la ecuación (3.1) aplicada a ala curva de la rotura.
Donde V1.00 Y V 0.02 son los volúmenes de disolución tratada hasta una concentración relativa del efluente de 1 y 0.02, respectivamente.
3). La altura de la zona de transferencia de masa (HZTM) es una medida de la velocidad de eliminación del adsorbato por el adsorbente. Cuanto mayor sea la facilidad de eliminación del adsorbato, menor será el valor de HZTM, por lo tanto, siempre se deberá trabajar en aquellas condiciones experimentales que favorezcan que este parámetro sea menor. Este parámetro es independiente de la altura del lecho, y generalmente, presenta pocas variaciones con C0, mientras que a velocidades de flujo mayores les corresponden mayores alturas. La HZTM se calcula a partir de la ecuación 3.2,
Ec. 3.1
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donde H es la altura del lecho.
Los estudios en experimentos dinámicos en columna fueron llevados a cabo en una bureta de adsorción Marca Pyrex de dimensiones de 100 cm × 25 mm de longitud y diámetro respectivamente. En el interior de la columna se cargaron adsorbentes granulares cerámicos basados en PTK, almidón y vidrio Pyrex (con tamaños desde 2 y hasta 3.5mm). Los gránulos ocuparon un volumen 70 cc, equivalentes a 160gr de adsorbente. Los adsorbentes fueron colocados en el interior de la columna sobre una cama doble de papel filtro, que a su vez fue soportada por una malla de acero inoxidable (malla estándar #325) de 24mm de diámetro, todo esto con la finalidad de no arrastrar material fino, producido durante el proceso de elusión. El extremo superior de la columna estaba cubierto con una tapa que contenía una conexión especial para eliminar burbujas de aire. El flujo de las soluciones metálicas, se controlaron por medio de una válvula localizada en el extremo inferior de la columna. En otras investigaciones se prefiere utilizar fibra de vidrio para equilibrar los materiales adsorbentes.
Las soluciones de (PbNO3)2 se prepararon pesando la cantidad equivalente a 150 mg de plomo por litro de agua destilada, posteriormente las soluciones se agitaron durante un periodo de 30 minutos a 120 r.p.m, con la ayuda de un agitador magnético marca Corning. La concentración de sal fue seleccionada tomando en cuenta los resultados de experimentos estáticos.
Las soluciones de nitrato de plomo se prepararon a 2 condiciones de pH diferentes: una solución a un valor de pH de 5.5, sin ajuste inicial de pH, y una segunda solución a un valor de pH de 3.5 utilizando una solución de ácido nítrico (1M). Las mediciones de pH se realizaron con un pH-ímetro, Marca Orion Modelo 420 plusmeter, con un electrodo de vidrio marca Thermo.
Se realizaron estudios previos (con agua destilada únicamente) para determinar la velocidad de paso de las soluciones a través del lecho de adsorbentes cerámicos porosos. La velocidad óptima se determinó, tratando de considerar la información bibliografíca encontrada para columnas cargadas con carbón activado.
Con ayuda de un dosificador se adicionó una solución de nitrato de plomo de concentración conocida (150 mg de Pb/L de solución), este valor es un valor típico de operaciones industriales (Klein, 1985). Se fijó una velocidad de elución en una relación de 2Vo/h (140cm3/h) y se monitorearon las muestras pasadas a través del adsorbente a diferentes tiempos (0, 2, 5, 11, 20, 37
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hrs.). Los resultados de concentración de Pb y K de cada periodo, se evaluaron por la técnica de análisis químico de espectrofotometría de adsorción atómica con la finalidad de estudiar los mecanismos de reacción en columna. También se determinó el valor de pH en cada uno de los diferentes muestreos.
Las soluciones metálicas se dosificaron a la columna por medio de un sistema adaptado de dos recipientes comunicados entre si, localizados encima de la columna, garantizando así una presión hidrostática estable del líquido, así como el control de liberación del sistema. La cantidad adicionada en este dispositivo fue suficiente para abastecer mediante 40 horas cada experimento de forma continua.
Todos los experimentos se realizaron en forma independiente para cada condición de pH y de concentración.
1
4
cm
2.2 cm
Figura 2.6. Fotografía digital de la bureta de vidrio pyrex® conteniendo los adsorbentes cerámicos. En la imagen se muestra las dimensiones que ocupa el adsorbente
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El tiempo máximo de tiempo de paso de las soluciones con nitrato de plomo por el adsorbente, fue de 40 horas (adsorbentes saturados), posteriormente los adsorbentes se retiraron de la columna, se secaron a una temperatura de 60° C durante una hora. Estos adsorbentes se caracterizaron por las técnicas de MEB, DRX, análisis térmico, IR y área superficial especifica.
2.4.2.3 Experimentos con Polititanatos (sin mezclar).
La experimentación con adsorbentes polititanatos sin mezclar se llevó a cabo siguiendo la metodología presentada en el diagrama de flujo de la figura 2.5