POST CONSTRUCTION
11. DEVELOPING THE GUARANTEED MAXIMUM PRICE (GMP)
11.1 When to Set the GMP
adsorción simple y competitiva
La contaminación con metales tóxicos de fuentes hídricas por efluentes de diferentes industrias tales como: la metalúrgica, química, pintura, textil, papelera, refinamiento de crudo, petroquímicas, cuero, fertilizantes, pesticidas y otras industrias, se ha convertido en una problemática ambiental de alto impacto. La importancia en el tratamiento de este tipo de residuos radica en la habilidad de los metales en acumularse en sedimentos y tejidos de organismos y consecuentemente incorporarse en cadenas alimenticias, lo cual podría causar riesgos a la salud de los seres humanos, esto ha llevado al establecimiento de leyes más estrictas que permitan regular las emisiones de metales a cuerpos de agua, forzando el uso de diferentes tratamientos para reducir la concentración de estos contaminantes [1,2].
En este sentido, el uso de carbón activado para la remoción de metales tóxicos en medio acuosos es una de las técnicas más usadas en la descontaminación de aguas residuales y fuentes de agua, la capacidad de adsorción dependerá de la naturaleza química del ion, así como de la superficie química del sólido [2].
La mayoría de los trabajos reportados en literatura tratan sistemas mono-componentes, sin embargo los efluentes industriales contienen varios metales por lo que es necesaria la remoción simultánea de dos o más metales. Por consiguiente, el estudio de sistemas binarios es conveniente en el establecimiento de condiciones que permita optimizar el proceso de adsorción [3].
5.1. Adsorción de iones
Si bien el carbón activado es uno de los sólidos porosos más ampliamente usados en el proceso de adsorción de diferentes contaminantes en solución acuosa, los factores fisicoquímicos responsables de este fenómeno no son claros en su totalidad, esto constituye una desventaja en el establecimiento de las condiciones que permitan optimizar el proceso de adsorción.
Generalmente dentro del proceso de adsorción de iones metálicos sobre carbón activado se involucran distintos procesos, tales como: adsorción física y/o química, precipitación en la superficie, formación de complejos e intercambio iónico [4,5]. Algunas de las evidencias de estos diferentes mecanismos son [4]:
Al finalizar el proceso de adsorción de iones metálicos se presenta una disminución en el pH, este aumento en la concentración de los iones hidronio indica un mecanismo de intercambio iónico que podría expresarse mediante la siguiente ecuación:
𝐌
𝐦++ 𝐂 − 𝐎𝐇 → 𝐂 − 𝐎𝐌
𝐦−𝟏+ 𝐇
+ (18)La intervención de los grupos superficiales oxigenados en el mecanismo de adsorción por intercambio iónico puede confirmarse por un incremento en la remoción sobre los sólidos modificados mediante tratamientos de oxidación.
La formación de complejos sobre la superficie también puede ocurrir, asumiendo el carácter anfotérico de la superficie del carbón activado, de acuerdo con las siguientes reacciones:
Para complejos Monodentados
≡ 𝐂 − 𝐎𝐇 + 𝐌
𝟐+→ ≡ 𝐂 − 𝐎𝐌
++ 𝐇
+(19)
Para complejos bidentados
𝟐 → (≡ 𝐂 ≡ 𝐂 − 𝐎𝐇 + 𝐌
𝟐+− 𝐎
Capitulo 5 73
Si en el sistema se presenta una alta concentración del ion, los sitios activos sobre la superficie pueden saturarse y la superficie acomplejada puede ser reemplazada por la precipitación superficial, la cual involucra la formación de un nuevo sólido o la gelificación del hidróxido del metal sobre la superficie.
El proceso de adsorción también puede ocurrir por la reacción de la superficie cargada negativamente y el catión sin que implique el intercambio de iones o electrones, en este proceso pueden intervenir grupos de tipo neutro.
La variedad de mecanismos que puede ocurrir durante el proceso de adsorción de iones metálicos sobre un carbón activado induce al control de una gran cantidad de factores que los pueden afectar: la concentración de grupos superficiales, el pH de punto de carga cero, parámetros texturales del carbón, el pH y fuerza iónica de la solución, la temperatura, la naturaleza del ion metálico considerando su diagrama de especiación, su solubilidad y su tamaño [4,6].
5.1.1. Adsorción competitiva
La adsorción competitiva de iones metálicos en solución está determinada por la presencia de otros iones y la naturaleza fisicoquímica del carbón activado, por lo tanto la eficacia del proceso está relacionada con el mecanismo de adsorción de cada uno de ellos [4]. En el caso de la competencia de dos iones metálicos por los mismos sitios de adsorción se observa que se favorece la adsorción de aquel ion que presente una mayor capacidad por el mismo sólido en una adsorción simple [3,7]. En el caso que los dos iones que no interactúen con los mismos sitios de adsorción es posible que la capacidad de remoción no se vea afectada con respecto a los sistemas simples de cada ion. [8]
Algunas de las principales explicaciones al proceso de adsorción establecen la química superficial como un parámetro determinante en la capacidad de adsorción de los sólidos, sin embargo, aun permanece poco claro porque algunos iones interactúan con un tipo de sitios en vez de con otro y porque estas interacciones dependen de si los iones se encuentran coordinados o no. Para dar explicación a este tipo de comportamientos se ha aplicado el concepto ácido y base dura y blanda (ABBD) desarrollado por Pearson,
constituida por los planos basales presenta un carácter blando y puede interactuar con iones blandos y de frontera, mientras que los grupos oxigenados son sitios duros que interactúan con iones duros.
Figura 5-1 Carácter duro y blando de algunos grupos presentes en la superficie de un carbón
activado. En rojo sitios duros y en verde sitios blandos.
Tomado: The HSAB concept as a means to interpret the adsorption of metal ions onto activated carbon. Alfarra E; Frankowiakc F. 2004
Por otro lado, al modificar la superficie del carbón activado o la coordinación del ion metálico la distinta dureza de los dos interactúen y se puede tener un mejor control de la adsorción, de acuerdo con el principio de Pearson es posible predecir el potencial de los sitios de adsorción sobre la superficie del carbón como una función de la dureza de cada ion, así, cambiando las condiciones experimentales los iones metálicos pueden ser adsorbidos por un sitio duro y/o blando del carbón [9].
En este trabajo de investigación se estudia el proceso de adsorción sobre carbón activado modificado en sistema simple y competitivo de los iones Ni(II) y Cd(II), por lo que es importante conocer algunas características fisicoquímicas de estos metales.
5.1.2 Cadmio
Es un metal pesado, dúctil, de color blanco con un ligero matiz azulado, poco abundante de estructura cristalina hexagonal, brillante y blanda, que puede cortarse fácilmente con
Capitulo 5 75
un cuchillo. Es uno de los metales más tóxicos, aunque podría ser un elemento químico esencial necesario en muy pequeñas cantidades, pero esto no está claro.
En solución acuosa son varios los hidrocomplejos del cadmio que son formados por reacciones de disociaciones ácidas sucesivas conforme las siguientes reacciones:
𝐂𝐝
+𝟐+ 𝐇
𝟐
𝐎 ⇌ 𝐂𝐝(𝐎𝐇)
++ 𝐇
+𝐩𝛃
𝟏= 𝟕. 𝟗
(21)𝐂𝐝(𝐎𝐇)
++ 𝐇
𝟐
𝐎 ⇌ 𝐂𝐝(𝐎𝐇)
𝟐+ 𝐇
+𝐩𝛃
𝟐= 𝟏𝟎. 𝟔
(22)𝐂𝐝(𝐎𝐇)
𝟐+ 𝐇
𝟐𝐎 ⇌ 𝐂𝐝(𝐎𝐇)
𝟑−+ 𝐇
+𝐩𝛃
𝟑= 𝟏𝟒. 𝟑
(23)Utilizando los valores de estas constantes de equilibrio se realiza el diagrama de especies, que se ilustra en la Figura 5.2 y en el que se observan las diferentes especies que puede formar el cadmio en solución acuosa así como su distribución porcentual [7,10]
Figura 5-2. Diagrama de distribución de especies del Cadmio