Resumen de Electroadsorción de plomo sobre carbones activados en diferentes conformaciones: modificaciónde la química superficial por métodos electroquímicos
En la actualidad se estima en más de un millón de sustancias diferentes las que son introducidas en las aguas naturales a través de los vertidos antropogénicos. Algunas de ellas son directamente nocivas para los seres vivos y muchas otras, si bien no son consideradas tóxicas, pueden alterar las características organolépticas del agua y/o perturbar severamente el ecosistema.
Los problemas de contaminación de las aguas tienen su origen en la Revolución Industrial, hace aproximadamente unos 200 años y debido al rápido aumento de la población mundial. La industrialización condujo a una urbanización muy localizada creando problemas en la calidad y en la cantidad del agua.
Sin embargo los esfuerzos para lograr la eliminación de los contaminante generados por el hombre no han sido capaces de ajustarse ni al ritmo de incremento en la cantidad de desechos industriales, ni al crecimiento demográfico. Esto a menudo ha provocadola transformación de las aguas de ríos, lagos y costas en depósitos de residuos en los que el equilibrio natural está severamente perturbado y en muchos casos totalmente roto.
Al contrario que muchos contaminantes orgánicos, los metales pesados generalmente no se eliminan de los ecosistemas acuáticos por procesos naturales debido a que no son biodegradables. Por el contrario son muy contaminantes y siguen un ciclo global eco-biológico, donde las aguas naturales son el principal camino. Hoy en día los metales pesados tienen un gran significado como indicadores de la calidad ecológica de todo flujo de agua debido a su toxicidad y muy especialmente al comportamiento bioacumulativo.
Asimismo los metales pesados tienen tendencia a formar compuestos con sustancias minerales (carbonatos, sulfatos, etc.) y con sustancias orgánicas, mediante fenómenos de intercambio iónico, adsorción, quelación, por lo que se acumulan en el medio ambiente, principalmente en los sedimentos de ríos, lagos y mares.
Las altas concentraciones de metales pesados en las aguas de corrientes fluviales asociados a sulfuros tales como los de Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb y Zn pueden atribuirse a la minería y son causa del fuerte impacto en el medio ambiente. En cambio, otros metales no-sulfurosos como el Cr, Ni y Hg posiblemente indican una contaminación antropogénica de metales pesados que están estrechamente asociados con las descargas industriales.
El procedimiento más frecuente para la depuración de aguas residuales en la industria es el tratamiento en depuradoras. Este tipo de tratamiento discurre a través de varias etapas que constan de un pretratamiento, tratamiento secundario y tratamiento terciario.
Se pueden distinguir dos tipos de métodos para el tratamiento de efluentes industriales:
A) Métodos destructivos: en los que el compuesto toxico es transformado en otro compuesto, ya sea biológica, química o electroquímicamente.
Dentro de los métodos destructivos se encuentra el tratamiento electroquímico que se basa en la reacción de oxidación o reducción que experimenta el compuesto tóxico durante un proceso de electrolisis siendo posible la oxidación directa, si el contaminante es un compuesto orgánico y es oxidado directamente en el ánodo, u oxidación indirecta, si es oxidado por un reactivo (O3, Cl2 H2O2, etc.) generado electroquímicamente durante la electrólisis. En el caso de los metales pesados se eliminan mediante reducción en el cátodo. Dentro de los métodos electroquímicos también se encuentra la electroflotación y la electrofloculación.
B) Métodos no destructivos: permiten la recuperación del compuesto tóxico y su reutilización. Entre estos métodos destacan la extracción con disolventes, adsorción en carbón activado, adsorción en resinas o procesos con membranas (filtración, ósmosis).
Dentro de los métodos no destructivos se encuentra la adsorción en carbón activado, siendo uno de los métodos más utilizados en el tratamiento de efluentes tanto gaseosos como líquidos.
El carbón activado se ha utilizado ampliamente para la purificación del agua potable, en el tratamiento terciario de aguas residuales y, en general, para la eliminación de contaminantes de los efluentes gaseosos y líquidos que contienen materia orgánica que es difícilmente biodegradable.
La mayoría de la investigación realizada en el área de eliminación de contaminantes mediante carbones activados, se fundamenta en el fenómeno de adsorción física, aprovechando la elevada porosidad de estos materiales. Sin embargo, la investigación sobre procesos de electroadsorción (adsorción asistida bajo la influencia de un campo eléctrico externo) y electrodesorción en carbones activados es mucho más escasa y la bibliografía disponible en esta área, en el caso de carbones activados, se ha realizado con compuestos orgánicos (fenoles, benceno, etc.).
Así, Plaisance y col investigaron la adsorción y electrodesorción de benceno sobre carbones activados, y encontraron que la desorción de éste dependía del potencial aplicado. Además concluyeron que las fuerzas atractivas entre las moléculas no-polares como el benceno y el carbón activado dependen de la polarizabilidad de la molécula orgánica. Este parámetro está determinado por la orientación del adsorbato y de la cantidad adsorbida. La electrodesorción (regeneración de un adsorbente bajo la influencia de un campo eléctrico externo) también ha sido estudiada por varios autores. Por ejemplo, Bán y col. realizaron ciclos de adsorción/desorción de los cationes de cloruro de metilquinoleína, con ciclos de potencial. Narbaitz y Cen midieron eficiencias del 95% para la regeneración electroquímica de carbones activados granulados saturados con fenol. Estos autores encontraron que la regeneración depende ligeramente de la cantidad de fenol adsorbida en el carbón activado. Zhang investigó la regeneración electroquímica de un carbón activado saturado con fenol, y vio que la eficiencia en la regeneración es del 85% analizando la polaridad del electrodo.
El grupo de investigación dentro del cual se realiza la presente Tesis Doctoral ha realizado la regeneración electroquímica de carbones activados saturados con tolueno (García-Otón et al.) y fenol (R. Berenguer et al.). En el caso de la regeneración de los carbones saturados con tolueno se han obtenido valores de regeneración próximos al 100%, además de la oxidación casi completa del tolueno. Además, no se han producido pérdidas en la capacidad de adsorción del carbón activado tras repetidos ciclos de adsorción/desorción. En el caso de la regeneración de carbones activados saturados con fenol se han conseguido regeneraciones próximas al 85% y además se ha constatado un efecto importante del electrolito en dicha regeneración. Por tanto, los procesos de electroadsorción/electrodesorción en medio acuoso son sumamente interesantes para conseguir una mejora en la eficiencia del adsorbente, así como para facilitar la reutilización del mismo, lo que puede presentar ciertas ventajas operacionales y económicas en comparación con los métodos térmicos.
Por otro lado, los contaminantes inorgánicos presentes en aguas tanto industriales como potables (tales como plomo, cadmio, arsénico,...), constituyen un problema importante desde el punto de vista del tratamiento de las aguas para su eliminación, al encontrarse como especies iónicas y que las concentraciones máximas permitidas son del orden de las ppb. En este sentido, cabe destacar que los carbones activados son adsorbentes mucho menos eficientes para la eliminación de dichos contaminantes inorgánicos, que pueden encontrarse en las aguas, siendo necesaria en muchos casos la impregnación del mismo con otros compuestos inorgánicos para conseguir una capacidad de adsorción elevada.
Así, la aplicación de la electroadsorción podría mejorar notablemente la capacidad de adsorción de los carbones activados sin ser necesaria su impregnación, puesto que, en función del potencial aplicado, se modifica la densidad electrónica del adsorbente pudiendo favorecer la interacción con las especies iónicas.
Los estudios previos de la electroadsorción de metales es excasa, así Jayson y col. han estudiado la eliminación de acetato de Hg(II) mediante adsorción y electroadsorción sobre una tela de carbón activado (CA) alcanzando capacidades de adsorción del orden de 2x10-3 mol/g CA a pH=5.5. La aplicación de un campo eléctrico aumentó la eliminación de Hg(II) y obteniéndose mejores resultados cuando el potencial aplicado es del orden de -1V. Afkhami y Conway estudiaron la eliminación de Cr(VI), Mo(VI), W(VI) y V(V) de aguas residuales industriales.
El equilibrio de adsorción de especies neutras, positivas y negativas depende de la carga del electrodo y la polarización de la superficie del electrodo está relacionada con el potencial de carga cero para una determinada concentración de especie en disolución. Así, especies neutras estarán más fuertemente adsorbidas en las proximidades del potencial de carga cero del electrodo y la adsorción de las especies positivamente y negativamente cargadas se producirá a valores más catódicos y más anódicos respectivamente. Estas interacciones son bien conocidas en electrodos no polarizables, sin embargo, esto no es directamente aplicable a partículas de carbón activado debido a que presentan grupos funcionales superficiales y su superficie es heterogénea desde el punto de vista energético, así como una distribución compleja del potencial entre partículas. Estos grupos funcionales superficiales (carboxílicos, fenólicos, etc.) exhiben efectos tampón en disolución acuosa y que pueden influir en gran medida en la capacidad de adsorción del carbón activado.
Objectius de la investigació / Objetivos de la investigación Estudio de la adsorción del plomo sobres diferentes tipos de carbón activado (granular y telas de carbón) mediante la obtención de la isoterma de adsorción con el fin de determinar la capacidad de adsorción del carbón activado.
Analizar el efecto de la química superficial en la capacidad de adsorción de los carbones activados modificados electroquímicamente.
Estudiar y analizar los fenómenos de electroadsorción y electrodesorción y la influencia de los parámetros electroquímicos en dichos fenómenos. Así como la influencia de la configuración del tipo de carbón en dicho tratamiento electroquímico.
