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USO DE CASCARILLA DE ARROZ ULTRAFINA Y NANOMÉTRICA PARA LA REMOCIÓN
DE MERCURIO TOTAL (I y II) DEL AGUA
María Laura Rivera Vargas
Dpto. Ingeniería Civil y Ambiental, Proyecto de Grado Ingeniería Ambiental 2018-20
1. RESUMEN
Esta investigación evalúa la eficiencia de la cascarilla de arroz (CDA) como material adsorbente a nivel
ultrafino y nanométrico para la remoción de mercurio (Hg) de soluciones acuosas. El proceso consistió
inicialmente en el procesamiento de CDA por medio de tratamientos físicos, químicos y térmicos;
prelavado, secado, lavado, remoción de la parte orgánica, lavado y secado final, esto con el propósito de
remover impurezas que dificultarían la adsorción de Hg y, asimismo, facilitar la reducción de tamaños a
distribuciones de partículas ultrafinas y nanométricas. Para lograr esto, se procesó la muestra original a
través de un molino de tornillo y un molino de alta energía. Posteriormente, se ejecutaron ensayos de
adsorción con dos distribuciones de tamaños distintas para cinco concentraciones de Hg diferentes (1×10-
1, 5×10-2, 1×10-2, 5×10-3 y 1×10-3 mg/L Hg). Dichas concentraciones se escogieron teniendo en cuenta la
concentración máxima permisible en agua para consumo humano de la normatividad colombiana del metal
en cuestión. Finalmente, se determinaron las concentraciones finales de adsorción de Hg de las muestras
de polvos ultrafinos y nanométricos a partir de la metodología ICP-OES. El tratamiento por molienda
consiguió llevar al material a tamaños con diámetro medio de 267 𝜇𝑚 con el molino de tornillo y con
diámetro medio de 68 𝜇𝑚 con el molino de alta energía. En general la distribución de tamaños de la harina
de CDA obtenida no fue uniforme. En los dos casos el producto final tenía un amplio rango de tamaños,
siendo este mayor para la muestra del molino de tornillo. Para los ensayos de adsorción, se alcanzaron
remociones del 16 % y 53 % para la muestra con concentración inicial de 1x10-1 mg/L Hg, siendo mejor
el caso en el cual las partículas de adsorbente tenían un tamaño más pequeño. No fue posible determinar
la concentración final de Hg para la totalidad de muestras ya que en la mayoría casos esta se encontraba
por debajo del límite de detección del método, por ende, tampoco fue posible determinar una posible
remoción en estas. En conclusión, se obtuvieron resultados prometedores en cuanto a la relación existente
entre la remoción del metal pesado y el tamaño de las partículas del adsorbente. Se encontró que las
partículas de CDA con tamaño menor favorecían la adsorción. No obstante, el porcentaje de muestras que
no pudieron ser evaluadas correctamente representa alta incertidumbre en los resultados del proyecto,
generando que estos no sean del todo concluyentes sino solo un primer paso de la evaluación de
desempeño de la CDA como material adsorbente. De este modo, se recomienda hacer uso de un método
más sofisticado de análisis de mercurio si se desean evaluar concentraciones por debajo del máximo
permisible mencionado, lo cual es elemental en la remediación ambiental, o, incrementar la concentración
de las muestras para poder cuantificar la remoción con los equipos disponibles. Se espera que el desarrollo
de este proyecto sea el punto de partida para crear o mejorar metodologías que permitan realizar un análisis
adecuado del potencial de este material.
2. PALABRAS CLAVE: cascarilla de arroz, nanopartículas, adsorción, mercurio.
3. INTRODUCCIÓN
El mercurio (Hg) es un metal pesado que puede
producir un impacto significativo en la calidad
del medio ambiente. Dicho impacto proviene de
una amplia variedad de fuentes, tanto
antropogénicas como naturales, y tiene graves
efectos sobre los organismos vivos y los
ecosistemas. El Hg es un metal tóxico debido a
su persistencia en la naturaleza, a su movilidad y
a la tendencia de este a biomagnificarse en
ecosistemas acuáticos y terrestres (Horvat,
2002). Distintos procesos tienen la capacidad de
liberar este elemento al aire, al agua y al suelo
(Pirrone et al., 2010) la minería artesanal de oro
y la combustión del carbón han sido identificadas
como las fuentes principales de emisiones
antropogénicas de mercurio al aire y al agua
(Pacyna et al., 2003, 2006; 2010; Suarez-Ruiz y
Parra, 2007; Pirrone et al., 2010; Cordy et al.,
2011). El máximo permisible de Hg en la
normatividad colombiana para el agua para
consumo humano (Resolución 2115 De 2007): es
de 0,001 mg/L Hg (1µg/L Hg).
La utilización de desechos como materia prima
de procesos de remediación siempre ha generado
gran interés, ya que se evita emplear métodos de
remoción costosos y así, se fomenta la aplicación
de materiales de bajo costo y fácilmente
disponibles. Entre estos, un material que ha
generado gran interés para procesos de
remediación y descontaminación del agua es la
cascarilla de arroz (CDA) (Shen, 2017). Este es
un material residual producido en mayor cantidad
por la industria arrocera, el cual es separado del
grano de arroz durante los procesos de molienda
(Sierra, 2009).
La composición química de la CDA varía
dependiendo de la geografía, las condiciones
climáticas y de las sustancias químicas
empleadas durante su cultivo (Genieva et al.,
2008). Este material está compuesto
principalmente por 32 % celulosa, 21 %
hemicelulosa, 22 % lignina y 15 % de cenizas
minerales (Razavi et al., 2006 & Nakbanpote et
al., 2007). Los compuestos de estas cenizas
corresponden a: 96,34 % de SiO2, 11 % de K2O,
0,45 % de MgO, 0,20 % de Fe2O3, 0,41 % de
Al2O3, 0,41 % de CaO y 0,08 % de MnO2
(Damel, 1976). Dichos componentes tienen alta
capacidad de unión con metales y, por ende,
muchos estudios han demostrado que la CDA
tiene el potencial de ser utilizada para generar
adsorbentes de bajo costo (Nakbanpote et al.,
2007). Este material contiene algunos grupos
funcionales tales como carboxilo, hidroxilo y
amino, los cuales potencian el efecto adsorbente
de los metales con la CDA y materiales derivados
de esta (Nakbanpote et al., 2007, Ye, Zhu & Du,
2010). Asimismo, la celulosa contribuye
principalmente a la resistencia de este material,
cuyo módulo de elasticidad varía entre 40 a 130
GPa y, además, le proporciona una alta tendencia
de absorción de humedad del ambiente (Bera &
Kale, 2008).
En Latinoamérica, la CDA es un material con
mucho potencial para su aprovechamiento, el
cual ha sido empleado como combustible y
generador de gas gracias a su capacidad
calorífica. En el sector de la construcción, ha sido
utilizada por su alta resistencia y contenido de
sílice. También, la CDA es un material utilizado
para la producción de compost y abonos por su
contenido orgánico (Sierra, 2009). De igual
manera, se ha utilizado con éxito para eliminar el
color (Vadivelan y Kumar, 2005; Han et al.,
2008) e iones metálicos del agua (Srivastavaet
al., 2006, 2009; Naiya et al., 2009b). Iones
metálicos como cobre (Cu (II)) (Ye, Zhang,
Zhang, Wu, & Du., 2012) cadmio (Cd (II)) (Ye
et al., 2010) hierro (Fe(II)) manganeso (Mn (II))
(Zhang et al., 2014) y zinc (Zn) (Zhang et al.,
2013) han sido objeto de estudio para evaluar su
remoción por adsorción a partir de la CDA. Su
capacidad de adsorción se puede aumentar
modificando su textura mediante tratamientos
químicos y/o térmicos (Hsu y Pan, 2007). Las
cenizas de la CDA son usadas para el tratamiento
de aguas residuales y la purificación de gases
mediante adsorción, catálisis y sistemas
integrados de procesos, y para la remediación del
suelo ya que pueden remover metales pesados y
contaminantes orgánicos (Shen, 2017).
Como se mencionó anteriormente, la CDA es un
desperdicio agrícola que corresponde
aproximadamente al 20 % en peso de la
producción total (una quinta parte del arroz bruto
anual) es decir, aproximadamente 545 millones
de toneladas métricas (Ye, Zhu & Du, 2010).
Dado su bajo peso específico (100 kg/m3) y su
composición química (que lo hace un material
difícilmente biodegradable) los volúmenes de
producción de este suelen ser muy elevados
(Sierra, 2009). Adicionalmente, es un material
muy económico, dado que la cantidad de CDA
disponible es mayor a cualquier uso local, sin
embargo, esto también complica su manejo,
implicando así altos costos asociados a su
tratamiento e impactos ambientales asociados a
su disposición final (Ye et al., 2012).
Una de las muchas definiciones de la
nanotecnología la define como la habilidad de
controlar y reestructurar la materia desde niveles
atómicos y moleculares en un rango de 1 a 100
nm (Dahman, 2017). El uso de la nanotecnología
como solución a muchos problemas en diversos
campos se ha incrementado: en la química,
biología, física, ingeniería; con una variedad de
aplicaciones tales como: energía, medicina,
nanobiotecnología, nanodispositivos, ingeniería
óptica, bioingeniería, entre otros (Dahman,
2017). Las tendencias han mostrado que
productos industriales y de consumo han ido
integrando esta tecnología, dándole un valor cada
vez más importante a esta pequeña escala. A
pesar de que aún se encuentre en una fase
temprana de progreso, su entendimiento y
desarrollo tiene mucho potencial de innovación
(Stone et al., 2010).
La nanotecnología presenta una nueva forma de
usar materiales y partículas a escala nanométrica
con un gran potencial para la remediación
ambiental que podrían proporcionar soluciones
costo efectivas (Wiessner & Botero, 2007). El
uso de nanopartículas como materiales
adsorbentes ha generado alto interés en cuanto a
la remoción de metales pesados en soluciones
acuosas. Según Banfield y Navrotsky (2003) la
adsorción debería favorecerse en las
nanopartículas debido a que a medida que una
partícula disminuye su tamaño al rango
nanométrico, una porción creciente de átomos es
expuesta a la superficie, haciéndola más reactiva.
Dicho esto, las nanopartículas son
termodinámicamente metaestables en
comparación con los materiales macrocristalinos.
Estas partículas, en busca del estado de equilibrio
tienden a aproximarse al estado mínimo de
energía libre a través de distintas formas:
transformación de fase, crecimiento de cristales,
cambios estructurales superficiales, agregación y
adsorción de superficie (Banfield y Navrotsky,
2003; Rusanov, 2005). En consecuencia, las
nanopartículas deberían ser más propensas a
adsorber moléculas en sus superficies para así
disminuir su energía libre total, dado el exceso de
esta que presentan.
4. MARCO TEÓRICO
Teoría Adsorción
La adsorción es un fenómeno de superficie
caracterizado por la concentración de una especie
química como un fluido (adsorbato), es decir,
desde su fase de vapor o líquida (solución) sobre
o próxima a la superficie o poros de un sólido
(adsorbente) (Chiou, 2007). Generalmente, el
exceso de superficie se da cuando la energía de
atracción entre una sustancia con una superficie
sólida (fuerzas de adhesión) es mayor que la
energía cohesiva de la sustancia en sí (Chiou,
2007). Cuando la fuerza responsable de la
adsorción es de tipo van der Waals, se denomina
adsorción física o fisisorción, mientras que, si las
fuerzas que producen la adsorción están
relacionadas con la unión química (afinidad
química o atracción electrostática), la adsorción
se denomina quimisorción (Berk, 2009). Desde
un punto de vista termodinámico, la
concentración de una sustancia de una fase o
solución de vapor diluida sobre una superficie
sólida resulta en una reducción en la libertad de
movimiento de las moléculas y, por lo tanto, es
un proceso exotérmico y representa una pérdida
en la entropía del sistema (Venkatesan, 2013). La
adsorción física es el mecanismo más común
mediante el cual los adsorbatos son eliminados
en el tratamiento de aguas (Crittenden et al.,
2012) implica niveles relativamente bajos de
energía de adsorción, es bastante inferior a la que
se ve implicada en un enlace químico, por ende,
la fisisorción es un proceso reversible y de baja
selectividad (Berk, 2009), existen diversas
técnicas que permiten que la reversibilidad o
desorción se pueda lograr, ciclos de oscilaciones
térmicas o de presión, ciclos de purga con gases
no adsorbente o ciclos de desplazamiento con
gases adsorbentes (Theodore, Dupont, &
Gasenan, 2017).
La energía de adsorción varía ampliamente para
la mayoría de los adsorbentes, ya que estos son
muy heterogéneos y la energía del sitio varía
considerablemente en relación con la cobertura
de la superficie (Crittenden et al., 2012 &
Venkatesan, 2013). Raros son los casos en los
cuales la estructura microscópica de la superficie
de un sólido se acerca a ser uniforme, esta
heterogeneidad en la superficie de los sólidos
resulta en energías de adsorción variables.
(Chiou, 2007). La adsorción es un proceso
secuencial, empezando en sitios de mayor
energía hasta los sitios de menor, al aumentar la
presión parcial en el caso de adsorbatos en fase
vapor o la concentración del soluto en solución.
Dicho esto, el diferencial de adsorción disminuye
a medida que la adsorción aumenta, cuando se
alcanza la saturación, la adsorción desaparece
(Chiou, 2007). Ahora bien, la superficie del
sólido o un determinado sitio no pueden ser
compartidos por dos o más tipos de adsorbatos,
esto deduce que el proceso de adsorción es
estrictamente competitivo, si las isotermas de
adsorción de dos materiales (a la misma
temperatura) se encuentran muy cerca, se
considera una adsorción más competitiva de
estos componentes (Bart & Gemmingen, 2012).
La capacidad de adsorción suele ser directamente
relacionada y afectada por el área superficial o la
porosidad de un sólido, ya que determinan el
número de sitios de adsorción y la accesibilidad
de los sitios para los adsorbatos, es decir, un
adsorbente eficaz debe tener una gran superficie,
existe una relación inversa entre el tamaño de los
poros y el área de superficie: cuanto más
pequeños son los poros para un volumen de poros
dado, mayor es el área de superficie disponible
para la adsorción (Crittenden et al., 2012). Cabe
mencionar que, la adsorción de un soluto de la
solución depende de la competencia del solvente
y de los otros componentes de la solución. En
consecuencia, un adsorbente potente para
vapores no necesariamente es un adsorbente
fuerte para solutos en solución (Chiou, 2007).
En la práctica, la teoría de la adsorción consta de
tres elementos principales: el equilibrio de
adsorción, la cinética de adsorción y la dinámica
de adsorción. El equilibrio de adsorción describe
la dependencia de la cantidad adsorbida (q) de la
concentración de adsorbato (c) y la temperatura
(T) (Worch, 2015). La relación de equilibrio es
considerada usualmente a temperatura constante
y es expresada en forma de isoterma de
adsorción. La cinética de adsorción representa la
dependencia temporal del proceso de adsorción,
es decir, el aumento de la carga del adsorbente
con el tiempo (t) o la disminución de la
concentración de la fase líquida con el tiempo
(Worch, 2015). Los equilibrios de adsorción no
se establecen de forma instantánea, la
transferencia de masa de la solución a los sitios
de adsorción dentro de las partículas del
adsorbente está limitada por las resistencias de
transferencia de masa que determinan el tiempo
requerido para alcanzar el estado de equilibrio.
La tasa de adsorción es típicamente determinada
a partir de procesos de transferencia de masa
lenta desde el líquido al adsorbente sólido y,
asimismo, dentro del sistema de poros del
adsorbente, está controlada por la rapidez con la
que un adsorbente llega al sitio de adsorción y la
frecuencia con que se llevan a cabo tales procesos
de adsorción (Cheremisinof, 2016). En el caso de
materiales adsorbentes de lecho fijo este proceso
no sólo depende del tiempo, la dependencia del
tiempo (t) y del espacio (z) es conocida como
dinámica de adsorción (Worch, 2015). Equilibrio de adsorción
El equilibrio de adsorción es la base de todos los
modelos de adsorción, su estudio es necesario
para la aplicación de los modelos de adsorción
cinética y dinámica. Los principios generales de
la teoría de la adsorción también son válidos para
la adsorción de varios solutos, no solamente para
un único soluto, este proceso se caracteriza por la
competencia de los adsorbatos en los sitios de
adsorción disponibles (Worch, 2015). La
posición de equilibrio es característica del
adsorbato, adsorbente, la temperatura y el pH. A
medida que avanza el proceso de adsorción, el
soluto absorbido tiende a desorberse en la
solución, entonces cantidades equivalentes de
soluto se están adsorbiendo y desorbiendo de
manera simultánea y, por ende, las tasas de
adsorción y desorción alcanzarán un estado de
equilibrio (Cheremisinof, 2016).
Los datos de equilibrio de adsorción de
adsorbatos individuales son reportados
generalmente como isotermas de adsorción, la
isoterma de adsorción es la relación de equilibrio
entre la cantidad de material adsorbido y su
concentración o presión parcial (Venkatesan,
2013). Para determinar estos datos, usualmente
es aplicado el método de punto de botella, en el
cual se emplean un conjunto de botellas, cada una
se llena con la solución de adsorbato de volumen
conocido (VL, L) y concentración inicial conocida
(c0 , mg/L). Posteriormente, se añade una masa
adsorbente definida (mA, g) finalmente, la
solución es agitada hasta alcanzar el punto de
equilibrio (c = ceq = cte). Con el fin de hallar
distintos puntos de la isoterma, deben ser
aplicadas diferentes concentraciones iniciales a
las botellas y de igual manera, diferentes masas
del adsorbente. Para disminuir el tiempo de
equilibrio, usualmente es recomendado moler
partículas, varios estudios han demostrado que la
molienda puede afectar favorablemente la
capacidad de adsorción (Worch, 2015).
La cantidad adsorbida se puede relacionar con la
concentración de equilibrio a partir de la
ecuación general del balance de masa para un
reactor por lotes (Worch, 2015). Para un
adsorbente nuevo (q0 = 0) y para el punto de
equilibrio (c = ceq and q = qeq), el balance de masa
se ve así:
𝑚𝐴(𝑞 − 𝑞0) = 𝑉𝐿(𝑐0 − 𝑐)
𝑞𝑒 [ 𝑚𝑔 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑡𝑜
𝑔 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑒] =
𝑉𝐿
𝑚𝐴(𝑐0 − 𝑐𝑒𝑞)
Materiales Adsorbentes
La superficie específica de un material poroso es
la suma de la superficie de la estructura porosa
con la superficie externa de las partículas del
adsorbente, por unidad de masa de este (m2/g), y
el volumen de poros (Vp, cm3/g) de un adsorbente
es el volumen de adsorbato que puede ser
retenido por unidad de masa (Cheremisinof,
2016). Los adsorbentes porosos pueden tener
áreas superficiales de 400 a 1500 m2/g y volumen
de poros entre 0.1 y 0.8 mL/g, generando que su
capacidad de adsorción pueda ser hasta de 0.2 g
de adsorbato por gramo de adsorbente,
dependiendo de la concentración y tipo de
adsorbato (Crittenden et al., 2012).
Ahora bien, las características principales que se
evalúan de un material para su desempeño como
adsorbente son: la capacidad de adsorción,
pureza o selectividad del producto, facilidad de
regeneración, cinética de adsorción, sus
propiedades mecánicas y su costo (Bart &
Gemmingen, 2005 & Venkatesan, 2013). A
continuación, se describirán algunas de estas
características:
La capacidad de adsorción es definida como la
cantidad de adsorbato que puede retenerse en el
adsorbente por unidad de masa o volumen. Está
relacionada directamente con la superficie
específica del material y con su volumen de
poros, asimismo, con el tamaño de poro
promedio del material. Este parámetro determina
el costo de la operación, pues establece la
cantidad de adsorbente necesaria, junto con el
volumen del equipo o dispositivo de adsorción
(Venkatesan, 2013). La selectividad es el
cociente entre la capacidad de adsorción de dos
componentes en una mezcla dada, representa la
forma más simple la descripción de un equilibrio
multicomponente (Venkatesan, 2013). La
regenerabilidad de un adsorbente es la capacidad
de mantener sus propiedades después de un
número determinado de ciclos de uso. Este
proceso se puede llevar a cabo mediante la
elución de un disolvente que tenga más afinidad
que el adsorbente con el adsorbato, asimismo,
puede realizarse por calefacción a partir de un gas
inerte o llevándolo al vacío (Chiou, 2007).
Los adsorbentes pueden ser fabricados a partir de
materiales naturales y artificiales, la mayoría son
sólidos porosos con superficies específicas muy
grandes, del orden de miles de m2/g (Venkatesan,
2013). Sobresalen la sílice activada, arcilla
activada, zeolitas y tamices moleculares, la
alúmina activada, resinas poliméricas, el carbón
activado, adsorbentes de base biológica, los
tamices moleculares de carbono y, más
recientemente, los adsorbentes mesoporosos
silíceos y carbonosos, los nanotubos de carbono
y otros (Berk, 2009 & Venkatesan, 2013).
Este proyecto pretende producir un material
ultrafino o nanométrico a partir de la CDA, que
permita remover concentraciones típicas de Hg
encontradas en sistemas ambientales acuosos,
con el fin de realizar una evaluación preliminar
del desempeño de este material como adsorbente
natural.
5. MATERIALES Y MÉTODOS
5.1 Adquisición de CDA
La CDA fue obtenida de cultivos de arroz del
Espinal, Tolima. Aproximadamente 15 kg de
CDA fueron llevados al laboratorio de Ingeniería
Ambiental de la Universidad de los Andes, en
donde se mantuvieron a temperatura ambiente y
almacenados hasta su tratamiento (Anexos
Figuras A.1 y A.2).
5.2 Tratamiento inicial de la muestra
La CDA fue pretratada con el fin de eliminar
impurezas normales del material. Inicialmente,
un prelavado de 200 g de la muestra fue
sumergido por 5 min en agua desionizada Tipo I.
Este proceso se repitió 5 veces con la ayuda de
un tamiz para separar el agua contaminada de la
muestra (Anexos Figuras A.3 y A.4). Al terminar
este proceso, la muestra se sometió a un
tratamiento térmico en un horno (BINDER
ED53) a 90 °C durante 24 h para eliminar el
exceso de humedad (Anexo Figura A.5).
Posteriormente, 50 g de muestra seca fueron
agregados a una solución de hidróxido de sodio
(NaOH) a 0.01 M durante 24 h con mezcla
constante, con el objetivo de eliminar el
contenido orgánico de la CDA (Anexo Figura
A.8). La muestra fue luego neutralizada (pH = 7)
con ayuda de ácido clorhídrico (HCl) a 1 N,
lavada 3 veces con agua desionizada y secada
nuevamente en un horno a 90 °C durante 24 h.
5.3 Síntesis de partículas ultrafinas y
nanopartículas
Se realizaron dos ensayos de deformación
mecánica para elaborar polvo fino de cascarilla
de arroz, primero con el molino de tornillo
artesanal (Anexo Figura A.13) y después con el
molino de alta energía (CMT TI-100) (Anexo
Figura A.16), para así obtener tamaños de
partículas menores. Dado que el rango de
tamaños que analiza el equipo (Particle Size
Analyzer CILAS 1064) no contempla todos los
tamaños obtenidos en el proceso de molienda, y
asimismo, se deseaba realizar el ensayo de
adsorción con la parte más fina de la muestra, fue
necesario tamizar esta través de un tamiz N°50
antes del análisis de distribución de tamaños.
Para el segundo caso, se mantuvo la muestra 8
min en el molino de alta energía, este equipo
consta de dos contenedores en forma cilíndrica
en los cuales se encuentran dos cilindros macizos
de menor tamaño (núcleos). En la cavidad que se
forma entre los núcleos y las paredes de los
contenedores se introduce la muestra, la cual es
triturada gracias al movimiento vibratorio de
molino, el cual hace que los cilindros estén en
constante roce con las paredes de los
contenedores. El principio de molinos de
vibración consta de una masa desequilibrada en
rotación puesta sobre un sistema de resortes,
dicho movimiento permite la vibración en
dirección horizontal del material de molienda. El
movimiento oscilante acelera los elementos de
molienda (núcleo y anillos) gracias al efecto de
la fuerza centrífuga. La molienda es resultado de
la presión, el choque y fricción de muy alta
energía sobre el material molido (Retsch.es.,
2019). Finalmente, el polvo resultante de los dos
ensayos fue almacenado en envases herméticos
(15 g mínimo para cada caso).
5.4 Caracterización de la distribución de
tamaños
Para determinar la distribución de tamaños de las
partículas obtenidas se utilizó un contador de
partículas de granulometría laser (Particle Size
Analyzer CILAS 1064), el cual consiste en un
banco óptico de hierro fundido extremadamente
compacto, el cual integra dos fuentes de láser
secuenciadas situadas a 0° y 45°, para producir
un patrón de difracción analizado en un detector
de silicio. Por medio del software, se representa
la curva de distribución por 100 clases, en las
cuales se distribuyen todos los tamaños obtenidos
de las partículas de la muestra, en el rango de
0.04 a 500 µm. El material es sumergido en
alcohol isopropílico como medio de suspensión,
con el fin de evitar que la muestra se hidrate y
aumente su volumen. Cabe mencionar, que esta
técnica se hace por duplicado (Sección
resultados: Figuras 1, 2, 3 y 4).
Ilustración 1. Funcionamiento CILAS 1064 Recuperado de: User Manual Particle Size Analyzer CILAS 1064 (s.f).
5.5 Ensayos de adsorción
Para determinar la eficiencia de remoción de Hg
del agua, se prepararon muestras acuosas con
diferentes concentraciones de este metal. En este
estudio se determinará la eficiencia de adsorción
de Hg para dos tipos de muestras: una muestra de
la harina original (molino tornillo) y otra a partir
del material ultrafino y nanométrico (molino de
alta energía) esto con el fin de establecer si
existen diferencias entre el material original y el
material procesado. Asimismo, se prepararon
soluciones acuosas de 25 mL con
concentraciones de Hg de 1×10-1, 5×10-2, 1×10-2,
5×10-3 y 1×10-3 mg/L Hg (Anexo Figura A.20).
Este proceso se dividió en dos partes, uno para la
muestra obtenida a partir del molino de tornillo y
otro con la del molino de alta energía.
Tabla 1. Cantidad CDA introducida en cada tubo.
Tubo Molino Tornillo
[g]
Molino Alta
Energía [g]
Blanco 0,0096 0,0085
1x10-1 0,0095 0,0078
5x10-2 0,0103 0,0074
1x10-2 0,0100 0,0080
5x10-3 0,0096 0,0079
1x10-3 0,0103 0,0075
Para la el primer ensayo (muestra molino
tornillo) se tenían disponibles tubos de 15 mL, a
los cuales se decidió introducir 10 mg de CDA
(adsorbente) por 10 mL de solución (adsorbato)
(Anexo Figura A.19). Para la muestra del molino
de alta energía, se emplearon tubos de 10 mL, en
este caso se introdujeron 8 mg de cascarilla por 8
mL de solución (Anexo Figura A.20). Adicional
a esto, se realizó un blanco con agua desionizada
para cada caso. La Tabla 1, presenta las
cantidades reales de material que fueron
introducidas a cada tubo de ensayo.
Los tubos con las muestras fueron posteriormente
sometidos a un baño de ultrasonido (Elma E60H)
durante 5 min para promover la separación de las
partículas y su dispersión homogénea en la
solución. Al cabo de este tiempo, las muestras
fueron puestas a girar con ayuda de 3 rotores
(Anexo Figura 22). Para las muestras del molino
de tornillo el ensayo de adsorción tuvo una
duración de 7 días y para las del molino de alta
energía tuvo una duración de 3 días. Finalizada la
rotación, las muestras se introdujeron en la
centrífuga (CLAY ADAMS 420101) durante 5
min a 7000 rpm (Anexo Figura A.23), para así
sedimentar todo el material de los tubos y hacer
una lectura correcta de la concentración final del
Hg en el sobrenadante.
El análisis de Hg se realizó mediante la técnica
de espectrometría de plasma por inducción óptica
ICP-OES (6500 Duo), método de referencia SM
3120B. El método está basado en una corriente
de argón ionizada que pasa a través de un campo
de radiofrecuencia para generar un plasma.
Dicho campo es conectado inductivamente al gas
ionizado por agua fría en torno a una antorcha de
cuarzo que contiene el plasma. La muestra se
introduce como aerosol por medio de un
nebulizador y una cámara de aspersión y es
transportada en el plasma a través de un tubo de
inyección ubicado en el centro de la antorcha. La
muestra en aerosol es inyectada directamente en
el ICP-OES, en donde los átomos constituyentes
son sometidos a temperaturas entre 6000 a
8000°K. Esto produce una disociación de las
moléculas, consiguiendo una significativa
disminución de las interferencias químicas. La
alta temperatura del plasma resulta en la emisión
atómica de los metales, donde la ionización de
una gran cantidad de átomos genera espectros de
emisión iónica. La luz emitida se enfoca en un
policromador que lleva a cabo la dispersión, se
mide la intensidad con fotomultiplicadores y se
controla paralelamente la totalidad de las
longitudes de onda, las cuales son configuradas
usando un sistema de lectura monitoreado por un
software (SM 3120B).
En los Anexos se puede observar el diagrama de
flujo que resume la metodología empleada en el
desarrollo del proyecto (Anexo Figura A.24).
Este paso a paso fue diseñado antes de empezar
el desarrollo de las prácticas de laboratorio,
incluyendo las duraciones de cada actividad y los
detalles principales que debían tenerse en cuenta.
El procedimiento constó de 8 pasos o
actividades: 1. Adquisición muestra CDA, 2.
Tratamiento físico, químico y térmico de la
muestra, 3. Elaboración del polvo, 4. Ensayos de
adsorción, 5. Sonicación muestras, 6. Rotación
muestras, 7. Centrifugación muestras y 8.
Lectura final análisis mercurio. Las actividades
fueron organizadas de esa forma con el fin de
desarrollar el proyecto óptimamente, es decir,
teniendo en cuenta el tiempo y los instrumentos
disponibles. Es de gran importancia ya que
permitió realizar un cronograma, estableciendo
un orden que no solo ayuda al desarrollo pleno
del proyecto sino también a un análisis adecuado
de los resultados. Asimismo, permite identificar
más al detalle posibles mejoras en los
procedimientos seguidos en este proyecto de
grado.
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1 Síntesis de las partículas ultrafinas y nanopartículas
Durante el tratamiento inicial del material se pudo observar cómo cambiaron ciertas propiedades físicas
de la CDA, como su color al hidratarse con el agua desionizada, todas las impurezas que llevaba el material
se podían ver claramente en el agua de lavado (suciedad, color, etc.) (Anexo Figuras A.5). Esto sucedió
en todos los ciclos de prelavado y lavado iniciales que se le hicieron al material. Se pudo evidenciar que
el material tiene alta capacidades de sorción, ya que el peso de este aumento considerablemente cuando
fue hidratado. Posterior al primer secado, se percibía un material más liviano (con fibras más delgadas) y
más frágil de lo que era inicialmente, lo cual favorecía la molienda (Anexos Figuras A.5, A.6 y A.7).
Después del tratamiento químico, la muestra adquirió un color más marrón, de igual manera, tras el último
secado, el material era aún más quebradizo y adquirió un color más amarillezco (Anexo Figuras A.10 y
A.12).
Por otro lado, durante la reducción de tamaño el material, se pudo evidenciar que, con el molino de tornillo
el producto final no fue homogéneo (Anexo Figuras A.14 y A.15), esto debido a que la CDA se acumulaba
y se compactaba en lugar de triturarse, provocando que en algunos casos el material se quemara, motivo
por el cual no fue posible tratar la muestra con el molino de mandíbula. Aun así, con el molino de tornillo
se logró la molienda de gran parte de la muestra, fue necesario tamizarla con un tamiz N° 50 para realizar
los ensayos de adsorción con la parte más fina. Por el contrario, no fue necesario tamizar la muestra
obtenida con el molino de alta energía, puesto que las partículas se veían bastante finas (Anexo Figura
A.17).
Es importante mencionar que, en los dos ensayos de adsorción, hubo imprecisión en la medición de la
masa de la CDA, dado que eran cantidades extremadamente pequeñas de material y la pesa y herramientas
utilizadas no eras las apropiadas para medir dichas cifras.
6.2 Distribución de partículas
6.2.1 Molino automático de tornillo
La Tabla 2 y la Figura 1 muestran los resultados obtenidos después de que la CDA fue procesada por
medio de un molino de tornillo. La Tabla 2 presenta un resumen de los parámetros característicos de la
distribución de partículas obtenida, D10 (Diameter at 10 %), D50 (Diameter at 50 %), D90 (Diameter at
90 %), y el diámetro medio (Mean Diameter). En esta tabla se puede apreciar que el diámetro promedio
de las partículas obtenidas se encuentra alrededor de 267.36 µm. También se puede apreciar que la
distribución de tamaños obtenidos es bastante amplia, desde ~1 µm hasta ~500 µm (Figura 1).
Tabla 2. Parámetros distribución de tamaños de partículas molino de tornillo
Figura 1. Distribución de tamaños de partículas muestra molino de tornillo
La Tabla 3 y la Figura 2 presentan el duplicado de los resultados obtenidos posterior al procesamiento de
la CDA con el molino de tornillo. La Tabla 3 muestra el resumen de los parámetros característicos de la
distribución de tamaños y la Figura 2 evidencia gráficamente dicha distribución. Se puede observar que
el diámetro promedio en este caso se encuentra próximo a 260.69 µm y que el rango de tamaños también
se encuentra entre ~1 µm hasta ~500 µm (Figura 2). El diámetro medio de la Tabla 2 y el del duplicado
(Tabla 3) no varían en más de 10 𝜇𝑚, lo cual evidencia la precisión en los resultados, dado el rango tan
amplio de tamaños que se obtuvo. Igualmente, se puede ver que la Figura 1 muestra una distribución más
continua, mientras que la Figura 2 muestra una discontinuidad entre los tamaños de 100 y 200 𝜇𝑚.
Tabla 3. Parámetros distribución de tamaños de partículas molino de tornillo duplicado
Figura 2. Distribución de tamaños de partículas muestra molino de tornillo duplicado
6.2.2 Molino de alta energía
De igual manera, la Tabla 4 y la Figura 3 presentan los resultados obtenidos después del procesamiento
de la CDA a partir del molino vibratorio de alta energía. En la Tabla 4 se puede observar que el diámetro
medio es de 67.77 𝜇𝑚, junto con los otros parámetros característicos de la distribución de tamaños. En
este caso también se obtuvo un rango amplio de tamaños, ~1 µm hasta ~500 µm (Figura 3).
Tabla 4. Parámetros distribución de tamaños de partículas molino de alta energía
Figura 3. Distribución de tamaños de partículas muestra molino de alta energía
La Tabla 5 y la Figura 4 evidencian el duplicado de los resultados de la distribución de tamaños después
de procesar el material con el molino vibratorio de alta energía. Se puede observar que el diámetro medio
es de 67.38 𝜇𝑚 y, asimismo, los parámetros característicos de la distribución de tamaños (Tabla 5). Al
igual que en todos los casos, el rango de tamaños obtenido se encuentra entre desde ~1 µm hasta ~500 µm
(Figura 4). El diámetro medio del resultado inicial (Tabla 4) y su duplicado (Tabla 5) varía menos de 1
𝜇𝑚. Asimismo, las Figuras 3 y 4 son bastante similares, en este caso no se presenta una discontinuidad
que diferencie alguna de las gráficas. Esto significa que los resultados de este análisis de tamaños fueron
mucho más acertados y más representativos para la muestra obtenida con este proceso de molienda.
Tabla 5. Parámetros distribución de tamaños de partículas molino de alta energía duplicado
Figura 4. Distribución de tamaños de partículas muestra molino de alta energía duplicado
Como primera observación, los valores obtenidos
en los duplicados son similares, lo cual indica que
los resultados tienen poca incertidumbre y son
confiables. Ahora bien, el D50 (diameter at 50 %)
es a la mediana de la muestra, dicho valor
corresponde al 50 % de la distribución
acumulada (al 50 % más fino) es decir, el 50 %
de las partículas de la muestra tiene un diámetro
inferior al D50. De igual manera, el 90 % de las
partículas tiene un diámetro inferior al D90, y el
10 % tiene un diámetro menor al D10, parámetro
también llamado tamaño efectivo (Das, 2015, pp.
40). Los resultados muestran que la muestra
procesada con el molino de tornillo obtuvo un
diámetro medio de 267.36 μm, con D90 de
457.50 μm , D50 de 301.76 μm y D10 de 34.12
μm y para el duplicado un diámetro medio de
260.69 μm, con D90 de 457.80 μm, D50 de
303.76 μm y D10 de 21.48 μm (Tabla 2 y 3) .
Mientras que con el molino de alta energía se
obtuvo un diámetro medio 67.77 de μm, con D90
de 166.05 μm, D50 de 36.99 μm y D10 de 4.15
μm y para el duplicado un diámetro medio de
67.38 μm, con D90 de 165.06 μm, D50 de 36.22
μm y D10 de 4.0 μm (Tabla 4 y 5). Asimismo,
se observa que en la distribución de tamaños de
la muestra triturada con el molino de tornillo
predominan tamaños grandes, el D50 y D90
tienen valores cercanos, por el contrario, en la
muestra del molino de alta energía, predominan
valores de diámetro menores, el D10 y el D50
tienen valores similares. Estas observaciones se
pueden corroborar fácilmente con las gráficas, en
el primer caso la distribución de tamaños se
acumula hacia el lado derecho, mientras que, en
el segundo los tamaños tienden a acumularse
hacia el lado izquierdo (Figuras 1, 2, 3 y 4).
Por otro lado, la distribución de la muestra del
molino de tornillo tiene un rango de tamaños
mucho mayor en comparación con la del de alta
energía, valores de tamaños que varían
aproximadamente entre 30 micras y 450 micras,
y entre 4 micras y 165 micras respectivamente.
Este rango claramente fue determinado haciendo
la suposición de que el límite superior era
próximo al D90, sin embargo, se puede observar
gráficamente que en los dos casos se encontraron
partículas con diámetro de 500 micras, el cual es
el límite de lectura equipo. A pesar de esto, se
infiere que la muestra del molino de alta energía
es bastante más homogénea, tal y como se pudo
observar durante el desarrollo del proyecto
(Anexos Figura A.14 y A.16).
Para realizar un análisis mejor de la uniformidad
de las muestras, se determinará su coeficiente de
uniformidad, parámetro generalmente utilizado
para evaluar la uniformidad del tamaño de
partículas de un suelo, este se calcula fácilmente
con la ayuda de las curvas granulométricas o
curva de distribución de tamaños (Ecuación 1).
Cuando este parámetro tiene un valor menor a 3
ya se considera un suelo muy uniforme, si la
muestra fuera completamente uniforme (esferas
perfectamente iguales) este coeficiente tomaría
un valor igual a 1 (Das, 2015, pp. 40).
Ecuación 1
𝐶𝑢 =𝐷60
𝐷10
En la siguiente tabla se muestran los valores
estimados de estos parámetros para cada muestra,
determinados a partir de las Figuras 1 y 3, junto
con el cálculo del valor del coeficiente de
uniformidad.
Tabla 6. Coeficiente uniformidad muestras
Diámetro
[𝝁𝒎]
Molino
Tornillo
Molino Alta
Energía
𝑫𝟔𝟎 352.0 55.0
𝑫𝟏𝟎 34.12 4.15
𝑪𝒖 10.32 13.25
A partir de esta tabla se puede concluir que
ninguna de las muestras presenta uniformidad, a
pesar de que la muestra del molino de alta energía
es más homogénea en cuanto a la variedad de
tamaños, es decir, que la diferencia entre el
tamaño de partículas de menor tamaño (D10) y
las de mayor tamaño (D90) es considerablemente
menor a la del molino de tornillo, las dos
muestras presentan un coeficiente de
uniformidad similar, es decir, tienen un rango
amplio de tamaños, son muestras que pueden
considerarse “bien clasificadas o bien gradadas”
(Das, 2015, pp. 41).
En definitiva, no se logró llevar a las partículas al
rango de tamaños nanométrico, el molino de alta
energía claramente presentó mejores resultados,
ya que el diámetro medio obtenido era un orden
de magnitud menor que el del molino de tornillo,
y, además, gran parte de la muestra tendía a estar
en el rango más fino, lo cual es favorable. Desde
luego, es necesario buscar que la muestra sea lo
más uniforme posible, esto para realizar un
análisis más preciso de los ensayos de adsorción,
ya que, si todas las partículas de cascarilla que
llevan a cabo este proceso son del mismo tamaño,
no se tendría en cuenta el efecto de que existan
distintos tamaños en la muestra, por ejemplo, el
área superficial de las partículas. No obstante,
esto es difícil de lograr tan solo con los equipos
de molienda, es necesario el uso de tamices para
ir descartando ciertos tamaños obtenidos en cada
ensayo. Dicho esto, estudiar el tamaño efectivo y
el coeficiente de uniformidad, o en general
parámetros que describan la distribución de
tamaños de un material, se vuelve bastante
relevante en este proyecto, debido a que hace
parte de la caracterización de la materia prima
utilizada. Del mismo modo, se describe el
producto final materializado por cada equipo de
molienda empleado, presentando las ventajas y
desventajas de procesar un material con
determinadas propiedades con distintos
mecanismos.
6.3 Lectura final concentración mercurio
En esta sección se encuentran los resultados de la lectura final del análisis de mercurio ejecutado con la
metodología ICP-OES, estos resultados fueron entregados por el laboratorio de Ingeniería Ambiental de
la Universidad de los Andes. Se puede observar la identificación de la muestra, el parámetro analizado y
la concentración obtenida del metal en cuestión. Inicialmente, se pueden ver las concentraciones después
de los ensayos de adsorción de las muestras de la harina original (Tabla 6) y posteriormente, las del
material procesado con el molino de alta energía (Tabla 7).
6.3.1 Muestra molino de tornillo
• Blanco Tabla 7. Lectura final Hg (Molino Tornillo)
IDENTIFICACIÓN
DE LA MUESTRA PARÁMETRO RESULTADO UNIDADES
ML-Blanco Mercurio <15,0 µg/L Hg
ML-[1×10-1] Mercurio 84,0 µg/L Hg
ML-[5×10-2] Mercurio 50,4 µg/L Hg
ML-[1×10-2] Mercurio <15,0 µg/L Hg
ML-[5×10-3] Mercurio <15,0 µg/L Hg
ML-[1×10-3] Mercurio <15,0 µg/L Hg
<XXX: Valor por debajo del límite de detección del método
6.3.2 Muestra molino de alta energía
Tabla 7. Lectura final Hg (Molino Tornillo)
IDENTIFICACIÓN
DE LA MUESTRA PARÁMETRO RESULTADO UNIDADES
MLM-Blanco Mercurio <15,0 µg/L Hg
MLM-[1×10-1] Mercurio 47,0 µg/L Hg
MLM-[5×10-2] Mercurio "21,2" µg/L Hg
MLM-[1×10-2] Mercurio <15,0 µg/L Hg
MLM-[5×10-3] Mercurio <15,0 µg/L Hg
MLM-[1×10-3] Mercurio <15,0 µg/L Hg
“XXX”: Valor entre el límite de detección y el límite de cuantificación
6.4 Remoción de mercurio
La Tabla 8 muestra un resumen de todos los resultados obtenidos para la remoción de Hg. De igual manera,
se pueden observar las Figuras 5, 6, 7 y 8, en los cuales se evidencian las concentraciones de Hg antes y
después de los ensayos de adsorción, para la muestra obtenida con el molino de tornillo, el molino de alta
energía y una comparación entre estas dos. En estos se puede apreciar gráficamente la remoción de
mercurio obtenida en algunos casos.
Tabla 8. Resumen resultados lectura final mercurio
Concentración
Inicial
Molino tornillo Molino Alta Energía
Final Final
[ 𝝁g/L Hg]
100 84 47
50 50,4 21,2
10 - -
5 - -
1 - -
Figura 5. Resumen resultados lectura final Hg
Figura 6. Concentración Hg inicial y final tras el procesamiento con el molino de tornillo
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5
Co
nce
ntr
ació
n H
g (
ug/L
Hg)
# Muestra
Concentración inicial y final Hg
Concentración inicial Hg Concentración final Hg (Molino Tornillo) Concentración final Hg (Molino Alta Energía)
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5
Co
nce
ntr
ació
n H
g (
ug/L
Hg)
# Muestra
Concentración Hg inicial y final muestra molino de
tornillo
Inicial Final
Figura 7. Concentración Hg inicial y final tras el procesamiento con el molino de alta energía
Figura 8. Concentración Hg inicial y final tras el procesamiento con los dos molinos
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5
Co
nce
ntr
ació
n H
g (
ug/L
Hg)
# Muestra
Concentración Hg inicial y final muestra molino de alta
energía
Inicial Final
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5
Co
nce
ntr
ació
n H
g (
ug/L
Hg)
# Muestra
Concentración Hg inicial y final
Concentración Inicial Concentración Final (Molino Tornillo) Concentración final (Molino Alta Energía)
Respecto a los resultados de los ensayos de
adsorción y a la lectura final del análisis de Hg,
que fue ejecutada por el laboratorio con ayuda del
ICP generador, se obtuvieron resultados
positivos en cuanto a la remoción de Hg en
algunas muestras. Como bien se sabe, se
evaluaron dos muestras de CDA, las cuales
tenían distintas distribuciones de tamaños, una
procesada con el molino de tornillo, con un
diámetro medio de ~265 µm y otra con molino de
alta energía con diámetro medio de ~67 µm.
Cada una fue usada como adsorbente para 5 tubos
con determinado volumen y concentración de
Hg. Dichas concentraciones de Hg fueron
seleccionadas teniendo en cuenta
primordialmente el máximo permisible de la
normatividad colombiana (1 µg/L Hg), esto con
el fin de evaluar si la CDA tenía la capacidad de
remover dicho metal inclusive en esas
concentraciones.
Ahora bien, las muestras identificadas con el
prefijo ML hacen referencia a las que usaron
como adsorbente la CDA procesada con el
molino de tornillo (Tabla 6) y las que tienen
prefijo MLM hacen referencia a la CDA
procesada con el molino de alta energía (Tabla
7). La lectura final de los dos ensayos de
adsorción muestra que para el Blanco (ML-
Blanco y MLM-Blanco) y para las soluciones
con concentración menor al límite de detección
del ICP (15 µg/L Hg) es decir, las muestras
identificadas como ML- 1×10-2, ML-5×10-2, ML-
1×10-3 y MLM- 1×10-2, MLM-5×10-2, MLM-
1×10-3, cuyas concentraciones eran
respectivamente 10 µg/L Hg, 5 µg/L Hg y 1 µg/L
Hg, la lectura final fue en todos los casos <15
(Tabla 6 y 7) lo cual indica que el valor obtenido
se encuentra por debajo del límite de detección
del método, lo cual es coherente, ya que la
concentración inicial de estas muestras no
excedía dicho valor. Sin embargo, esto representa
alta incertidumbre, ya que no se conoce con
certeza si hubo remoción, o si dicha remoción
logró que las concentraciones llegaran a ser
menores que la concentración máxima aceptable,
o inclusive si la concentración de Hg aumentó,
como se presentó en un caso. Esto indica que el
método no es el apropiado para el completo
desarrollo de este proyecto, a pesar de que la
metodología pueda cuantificar concentraciones
de mayor magnitud, como se verá más adelante.
Hubo un caso en el cual la concentración de Hg
aumentó, el resultado obtenido en la muestra
ML-5×10.2 es incoherente (Tabla 8) ya que
evidencia que después del ensayo de adsorción la
concentración de Hg incrementó 0,4 µg/L Hg.
Este aumento no es despreciable y es importante
analizar qué pudo causar este error, el equipo
pudo realizar una lectura errónea, motivo por el
cual sería significativo llevar a cabo un duplicado
de estos análisis para comprobar la veracidad de
los resultados. Asimismo, la muestra pudo haber
sido contaminada durante el desarrollo de la
práctica, ya sea durante la realización de las
aguas sintéticas o la preparación de las muestras
para los ensayos de adsorción, o inclusive
durante su almacenamiento antes del análisis en
el ICP. Cabe aclarar, que estas muestras fueron
debidamente tratadas y almacenadas por el
laboratorio para que el análisis realizado
posteriormente fuera lo más preciso posible, aun
así, no se sabe con certeza cuanto tiempo después
de la finalización de los ensayos de adsorción
dicho análisis fue ejecutado, según el informe de
resultados entregado por el laboratorio, la fecha
de ejecución del análisis fue aproximadamente
15 días después de la entrega de las muestras,
esto implica que el adsorbente realmente estuvo
más tiempo en contacto con las soluciones de Hg,
lo cual pudo tener un efecto en los resultados.
Cabe mencionar que, por cuestión de tiempo, las
concentraciones de Hg iniciales o de referencia
que fueron utilizadas para este análisis, son
teóricas y no son las reales, por lo cual sería
pertinente realizar un análisis de Hg a las
soluciones iniciales antes de empezar los ensayos
de adsorción para evaluar con más exactitud la
remoción que se puede alcanzar.
A pesar de esto, se consiguieron resultados
prometedores para este proyecto, ya que para los
casos que no han sido mencionados (Tabla 7, 13
y 14) la remoción mejoró considerablemente
cuando el ensayo de adsorción se desarrolló con
partículas de CDA de menor tamaño (la muestra
procesada con el molino de alta energía). Como
se puede observar en las Figuras 6, 7 y 8, para las
muestras de 100 µg/L Hg de concentración
inicial, se obtuvo una concentración final de 84
µg/L Hg para el ensayo ejecutado con la muestra
del molino de tornillo como adsorbente y de 47
µg/L Hg con la del molino de alta energía,
alcanzando remociones de 16 % y 53 %
respectivamente. También, para la muestra con
50 µg/L Hg de concentración inicial, se obtuvo
una concentración final de “21,2 µg/L Hg” para
el caso del molino de alta energía, logrando una
remoción del 57,6%, el valor entre comillas
indica que se encuentra entre el límite de
detección y el límite de cuantificación del
método, por lo tanto, es un valor que no es
confiable completamente. En este caso no se
puede realizar una comparación real que
relacione el tamaño de las partículas con su
efectividad de remoción, como se mencionó
anteriormente, para la otra muestra la
concentración de Hg incrementó, lo cual descarta
este resultado para analizar la eficiencia de
adsorción (Figura 8, Muestra #2).
Para sintetizar, la remoción aumentó
aproximadamente un 37 % con la muestra de
distribución de tamaños menores, esto
comprueba que la adsorción se favorece con
partículas de menor tamaño, al disminuir el
tamaño de las partículas se incrementa el área
superficial total y, por ende, el área de contacto
con el adsorbato, favoreciendo la adsorción
(Worch, 2015). Sin embargo, esto es un análisis
muy general, como se puede observar en la
metodología, el volumen de las muestras
sintéticas y la masa del adsorbente empleada en
cada ensayo fue diferente, 10 mg y 10 ml para la
muestra del molino de tornillo y 8 mg y 8 ml para
la muestra del molino de alta energía, lo cual no
permite hacer un análisis aterrizado, ya que el
volumen del adsorbato y la masa del adsorbente
entran a ser variables en este análisis, esto
sumado a que la duración de los ensayos de
adsorción tampoco fue la misma ( 7 días y 3 días
respectivamente) y que la ejecución del análisis
de Hg no se realizó inmediatamente se
terminaron los ensayos de adsorción, incrementa
la incertidumbre de los resultados obtenidos y
complica la realización de una evaluación de
desempeño real del material.
7. CONCLUSIONES
y RECOMENDACIONES
A partir del procesamiento inicial de la muestra,
se pudieron obtener tamaños hasta de hasta 4 𝜇𝑚
o 4000 nm en algunos casos (Figura 3 y 4)
aunque no se consiguió que las partículas de
CDA llegaran a tamaños a una escala
nanométrica (1 a 100 nm) el tratamiento del
material y el procesamiento llevado a cabo
permitió una reducción importante del tamaño,
esto sirve como base de proyectos e
investigaciones que deseen desarrollar más a
fondo este estudio. Adicionalmente, la
utilización de un molino de alta energía permitió
obtener distribuciones de tamaños con diámetro
medio de ~67 µm, teniendo mejores resultados
que el molino de tornillo en cuanto a reducción y
homogeneidad, lo cual demuestra que esta
herramienta es mejor para procesar la CDA y
conseguir tamaños ultrafinos, por lo tanto, se
recomienda el uso de este equipo para realizar la
molienda de este tipo de material. También
valdría la pena triturar durante más tiempo el
material, como se pudo observar en la
metodología, la duración de la molienda fue de
tan solo 8 min, esto para evitar que la muestra se
quemara dada la alta fricción que se da en el
molino de alta energía, no obstante, la
distribución de tamaños podría ser mucho más
pequeña sin que el material se altere, se
recomienda entonces realizar más ensayos de
molienda con este equipo para verificar estas
suposiciones.
Asimismo, con tan solo una muestra, pudo
demostrarse que la remoción de Hg aumentó un
37% cuando la CDA tenía un tamaño de partícula
mucho menor. Antes que nada, esto es
prometedor ya que se espera que las partículas en
el rango nanométrico consigan remociones aún
mayores, evaluar este punto es lo más relevante
de este trabajo. A pesar de esto, hace falta que se
desarrollen más ensayos de cada paso de la
metodología, que se lleven a cabo duplicados
como en el caso de la distribución de tamaños,
esto para poder verificar los resultados, hacer un
análisis correcto, y de esta manera, realizar una
síntesis y caracterización mejor de las
nanopartículas de CDA.
Por otro lado, se recomienda hacer uso de un
método más sofisticado de análisis de Hg si se
desean evaluar concentraciones por debajo del
máximo permisible mencionado, ya que el límite
de detección del equipo utilizado para el análisis
de Hg (ICP 6500 Duo) es bastante mayor al
máximo permisible de este metal según la
normatividad colombiana, lo cual hace imposible
la evaluación del desempeño de las
nanopartículas de CDA para la descontaminación
del agua sintética, ya que para que se considere
descontaminada, las concentraciones deben
encontrarse estrictamente por debajo del máximo
aceptable. Es muy importante tener esto en
cuenta, uno de los objetivos de este proyecto y
esencialmente de la ingeniería ambiental, es
evaluar si se puede dar una remediación real del
recurso, en este caso que el proceso de adsorción
de la CDA consiga que el agua cumpla con los
estándares de calidad establecidos por la ley.
Ahora bien, estos equipos sí permitieron
evidenciar la mejora de la remoción en algunos
casos. Para hacer un análisis más profundo con
las herramientas disponibles, deberían realizarse
muestras sintéticas con concentraciones mayores
al límite de cuantificación del equipo (2.7 µg/L
Hg) para que así los resultados tengan un valor
confiable y puedan ser objeto de discusión.
Por otra parte, en la revisión bibliográfica se pudo
observar que las cenizas de arroz son muy
utilizadas para la adsorción de metales pesados,
durante el desarrollo de este proyecto se tenía
planeado evaluar el desempeño de las cenizas,
por cuestión de tiempo tampoco fue posible, se
espera que este trabajo sirva como precursor de
proyectos que evalúen de forma más detallada la
capacidad de adsorción de la CDA y sus
derivados, para remover no solo el mercurio sino
también otros metales.
Adicionalmente, se recomienda desarrollar una
metodología que permita cuantificar el punto de
equilibrio del proceso de adsorción, de ser así
deben hacerse varios ensayos en los cuales se
mida continuamente la concentración del
adsorbato, determinar el punto en el cual esta deja
de cambiar y logra ser la mínima posible, antes
de empezar un proceso de desorción. También,
evaluar la adición de diferentes masas de
adsorbente a un mismo volumen de solución, o
de añadir otros adsorbatos a la solución, para
analizar la selectividad del material, todo esto
influye en el punto de equilibrio del sistema y en
la caracterización de un material adsorbente. Este
proyecto no es concluyente respecto a algunas
variables, como el punto de equilibrio de los
sistemas o la capacidad de adsorción del material,
ya que todas las variables cambiaron en los dos
ensayos; la duración, el volumen de solución, la
masa del adsorbente, el tamaño de partículas de
adsorbente, etc. Para realizar una evaluación
mejor es importante llevar a cabo ensayos en los
cuales solo cambie una variable, para así evaluar
su verdadero efecto.
Finalmente, se espera que este trabajo de grado
abra las puertas a la identificación de materiales
alternativos (nanomateriales) de producción
local, que puedan ofrecer alternativas eficientes
desde el punto de vista técnico y económico. Este
proyecto será utilizado para proponer futuros
proyectos de investigación relacionados.
8. BIBLIOGRAFÍA
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9. ANEXOS
Figura A.1. Muestra inicial de CDA.
Figura A.2. Muestra inicial CDA
Figura A.3. Prelavado cascarilla arroz
Figura A.4. Prelavado cascarilla arroz
Figura A.5. Secado muestra
Figura A.6. Muestra después primer secado
Figura A.7. Cascarilla después primer secado
Figura A.8. Tratamiento químico muestra
Figura A.9. Muestra al finalizar tratamiento químico
Figura A.10. Segundo secado de la muestra
Figura A.11. Muestra después tratamiento físico, químico y
térmico
Figura A.12. Molino de tornillo
Figura A.13. Muestra molida con molino de tornillo
Figura A.14. Muestra molida con molino de tornillo
almacenada
Figura A.15. Molino alta energía
Figura A.16. Muestra molida con molino de alta energía
Figura A.17. Muestras molino de tornillo y alta energía
Figura A.18. Muestras ensayo adsorción molino tornillo
Figura A.19. Muestras ensayo adsorción molino alta energía
Figura A.20. Soluciones sintéticas concentraciones mercurio
Figura A.21. Rotores
Figura A.22. Centrífuga
Figura A.24. Diagrama de flujo metodología
