Artículo de revisión/Review Article

Adsorción de metales pesados en aguas residuales usando materiales de origen biológico

Adsorption of heavy metals in waste water using biological materials

Candelaria Tejada-Tovar¹, Ángel Villabona-Ortiz², Luz Garcés-Jaraba³

¹M.Sc. Educación, Facultad de Ingeniería, Universidad de Cartagena, Cartagena-Colombia, ctejadat@unicartagena.edu.co

²M.Sc(c) en Ingeniería Ambiental, Facultad de Ingeniería, Universidad de Cartagena, Cartagena-Colombia, angelvillabona@yahoo.es

³Ingeniera química, Grupo IDAB del programa de Ingeniería Química, Universidad de Cartagena, Cartagena-Colombia, luz.garces.jaraba@gmail.com

Fecha de recepción: 10 de junio de 2014 / Fecha de aceptación: 26 de octubre de 2014

Como citar / How to cite

C. Tejada-Tovar, A. Villabona-Ortiz y L. Garcés-Jaraba, “Adsorción de metales pesados en aguas residuales usando materiales de origen biológico”, Tecno Lógicas, vol. 18, no. 34, pp. 109-123, 2015.

Resumen

La bioadsorción es un proceso que permite la captación activa o pasiva de iones metálicos, debido a la propiedad que diversas biomasas vivas o muertas poseen para enlazar y acumular este tipo de contaminantes por diferentes mecanismos. La aplicación de materiales de bajo costo obtenidos a partir de diferentes biomasas provenientes de la flora microbiana, algas y residuos agroindustriales ha sido investigada para reemplazar el uso de métodos convencionales en la remoción de contaminantes, tales como los metales pesados. Entre los metales de mayor impacto al ambiente por su alta toxicidad y difícil eliminación se encuentran el cromo, níquel, cadmio, plomo y mercurio. En el presente trabajo se estudian las generalidades de la adsorción como proceso alternativo para la remoción de contaminantes en solución y las biomasas comúnmente usadas en estos procesos, además de algunas de las modificaciones realizadas para la mejora de la eficiencia de adsorción de las mismas. Se concluye que el uso de la adsorción en la remoción de contaminantes en solución acuosa mediante el uso de biomasa residual es aplicable a estos procesos de descontaminación evitando problemas subsecuentes como la generación de lodos químicos, y generando un uso alternativo a materiales considerados como desechos. Se identifica además que factores como el pH de la solución, tamaño de partícula, temperatura y la concentración del metal influyen en el proceso.

Palabras clave: Adsorción, biosorbentes, efluentes, ion metálico, residual.

Abstract

Biosorption is a process that allows active or passive uptake of metal ions due to the property that different living or dead biomass have to bind and accumulate these pollutants by different mechanisms. The application of low-cost materials obtained from different biomass from microbial flora, agro-industrial waste and algae has been investigated to replace the use of conventional methods for the removal of contaminants such as heavy metals. Some of the metals of greatest impact to the environment due to its high toxicity and difficult to remove are chromium, nickel, cadmium, lead, and mercury. In this paper, an overview of adsorption as an alternative process for the removal of contaminants in solution and biomass commonly used in these processes, as well as some of the modifications made to improve the efficiency of adsorption of these materials is presented. It was concluded that the use of adsorption in the removal of pollutants in aqueous solution using waste biomass is applicable to these decontamination processes avoiding subsequent problems such as the generation of chemical sludge, and generating an alternative to use materials considered as waste. It is further identified that such factors as the pH of the solution, particle size, temperature, and concentration of metal effect on the process.

Keywords: Adsorption, biosorbents, effluent, metal ions, residual.

1. Introducción

En la actualidad, existe una gran preocupación a nivel mundial, debido al considerable incremento en los índices de contaminación de efluentes industriales por parte de metales pesados tales como el cromo, níquel, cadmio, plomo y mercurio [1], [2]. Estas sustancias tóxicas tienden a persistir indefinidamente en el medio ambiente, comprometiendo el bienestar y equilibrio no solo de la fauna y la flora existente en dicho ecosistema sino también la salud de las personas residentes en las comunidades aledañas, mediante su acumulación e ingreso a la cadena trófica [3], [4].

Entre los diversos efectos producidos por los metales pesados en las plantas se tiene, la necrosis en las puntas de las hojas, la inhibición del crecimiento de las raíces y en el peor de los casos la muerte total de la planta. En los seres humanos los metales pesados pueden llegar a ser muy tóxicos al introducirse en el organismo. En elevadas concentraciones, estos pueden ocasionar: erupciones cutáneas, malestar de estómago (úlceras), problemas respiratorios, debilitamiento del sistema inmune, daño en los riñones e hígado, hipertensión, alteración del material genético, cáncer, alteraciones neurológicas e incluso la muerte [5]-[7].

La Organización Mundial de la Salud (OMS), estableció que la máxima concentración de iones de metales pesados en el agua debe estar en un rango de 0,01-1 ppm [8], sin embargo, en la actualidad se reportan concentraciones de iones de metales pesados hasta de 450 ppm en los efluentes [9].

Dentro de los principales sectores industriales, que son fuentes de contaminación de metales pesados se encuentran: la minería, industria del cemento, colorantes, curtiduría, galvanoplastia, producción de acero, material fotográfico, pinturas corrosivas, producción de energía, fabricación de textiles, conservación de la madera, anodizado de aluminio, refrigeración por agua entre otras [10]-[13].

El impacto ambiental generado por estas sustancias toxicas ha llevado a la comunidad científica a desarrollar diferentes métodos para el tratamiento de los efluentes industriales contaminados con estas sustancias, entre los cuales están: precipitación, oxido-reducción, intercambio iónico, filtración, tratamiento electroquímico, tecnologías de membrana y recuperación por evaporación. Sin embargo, estos métodos han resultado bastante costosos e ineficientes especialmente cuando la concentración de los metales es muy baja, además de la formación, disposición y almacenamientos de lodos y desechos, originados durante los procesos, lo cual se convierte en un problema mayor a resolver [14], [15].

La bioadsorción, surge como una alternativa que llama la atención en la remoción de iones de metales pesados en los efluentes industriales, ya que, es una tecnología que permite no solo removerlos, si no también, darle un tratamiento a los desechos agrícolas que antes no tenían ninguna utilidad, además, estos materiales biosorbentes son de bajo costo y fácil adquisición [16], [17].

Entre las ventajas que presenta la bioadsorción, en comparación con las técnicas convencionales se tiene: bajo costo, alta eficiencia, minimización de productos químicos y lodos biológicos, no se requieren nutrientes adicionales, regeneración de los biosorbentes, y posibilidad de recuperación de metales. Sin embargo, a pesar de las ventajas que presenta este método de remoción de metales pesados, se encuentra aún en su etapa de investigación y no se le ha transferido conocimiento tecnológico, por esta razón en la actualidad no ha sido implementado a nivel industrial [18]-[20].

Investigaciones recientes sobre la adsorción de iones de metales pesados en aguas residuales, realizadas a nivel mundial, revelan la capacidad de adsorción de diferentes biomasa residuales como la corteza del árbol del pirul [21], la cáscara de tamarindo, cáscara de plátano (Musa paradisiaca), cáscara de limón (Cítricos limonum), cáscara de naranja (Cítricos sinensis) [22], hoja de maíz [23], cáscara de maní [24], quitosano [25], desechos de tallo de uva, entre otros [26]. Otro tipo de biosorbentes muy usados en la actualidad son microrganismos, como las algas, hongos y levaduras [18].

En esta revisión se hace un análisis de la problemática ambiental producida por los altos índices de contaminación de efluentes industriales por iones de metales pesados. Además, se plantea la bioadsorción como una tecnología alternativa para la remoción de estos iones y el uso de materiales lignocelulósicos como posibles materiales adsorbentes.

2. Bioadsorción: una alternativa de solución

La bioadsorción es un proceso fisicoquímico que incluye los fenómenos de adsorción y absorción de moléculas e iones. Este método poco convencional busca principalmente la remoción de metales pesados en aguas residuales prevenientes del sector industrial, usando como sorbente diferentes materiales de origen biológico (vivo o muerto), tales como: algas, hongos, bacterias, cáscaras de frutas, productos agrícolas y algunos tipos de biopolímeros. Estos materiales son de bajo costo y se encuentran en gran abundancia en la naturaleza, además, su transformación a biosorbente no es un proceso costoso.

El proceso de bioadsorción involucra una fase sólida (biomasa) y una fase líquida (agua) que contiene disueltos la sustancia de interés que será adsorbida (en este caso, los iones de los metales pesados). Para que el proceso de bioadsorción se pueda realizar con éxito, debe existir una gran afinidad entre los grupos funcionales de la biomasa y el contaminante, ya que este último debe ser atraído hacia el sólido y enlazado por diferentes mecanismos [27]-[31]. El fenómeno de bioadsorción de iones metálicos, usando materiales biológicos como adsorbentes, se puede realizar mediante diversos mecanismos fisicoquímicos y metabólicos en los cuales, el proceso de captación de los metales pesados puede diferir.

Bioacumulación: adsorción de las especies metálicas mediante los mecanismos de acumulación al interior de las células de biomasas vivas.
Bioadsorción: adsorción de los iones en la superficie de la célula. El fenómeno puede ocurrir por intercambio iónico, precipitación, complejación o atracción electrostática [30]-[32].

El proceso de bioacumulación implica una primera etapa que es la bioadsorción, sin embargo, luego le siguen otras etapas las cuales permiten el transporte de los contaminantes a través de un sistema de transporte activo que permite el consumo de energía al interior de la célula. En la Tabla 1, se pueden observar las ventajas y desventajas de ambos procesos.

De allí, se puede establecer que la bioadsorción se puede considerar como la mejor alternativa para la eliminación de iones metálicos presentes en aguas residuales, debido a que no usa organismos vivos como materiales biosorbentes; ya que estos pueden verse afectados por las altas concentraciones de dichos contaminantes, interrumpiendo el proceso de adsorción por la muerte de los mismos. Por consiguiente, al usar biomasa muerta, se puede evitar el rápido deterioro del material biosorbente, e inclusive, se puede ajustar ciertas variables para aumentar la eficiencia del proceso.

2.1 Fundamentos fisicoquímicos

En general, la extracción de metales mediante biomasas residuales se atribuye a sus proteínas, carbohidratos y componentes fenólicos que contienen grupos carboxilo, hidroxilo, sulfatos, fosfatos y amino, los cuales presentan gran afinidad por los iones metálicos, facilitando su captación.

Cabe distinguir tres clases de adsorción según el tipo de atracción que se dé entre el soluto y el adsorbente. Si la adsorción se da por el intercambio iónico en el cual, los iones de una sustancia de interés se concentran en una superficie del material adsorbente como resultado de la atracción electrostática entre ambos, se dice que la adsorción es de tipo eléctrico. Sin embargo, si la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de la interfase, se dice que la adsorción es debido a las fuerzas de Van der Waals o también llamada fisisorción. Dicho sea de paso, si el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente, se puede decir que la adsorción tiene naturaleza química. Cabe resaltar que en la fisisorción, la especie adsorbida conserva su naturaleza química, mientras que durante la quimisorción, la especie adsorbida sufre una transformación dando lugar a una especie distinta [34]-[36].

El fenómeno de adsorción se puede ver afectado de manera positiva o negativa, por ciertas variables como la temperatura, pH, tamaño de partículas o simplemente por la presencia de otros iones. Estos parámetros pueden aumentar o disminuir la captación de los iones metálicos.

2.1.1 Efecto de la temperatura

Un aumento elevado de la temperatura puede causar un cambio en la textura del sorbente y un deterioro del material que desembocan en una pérdida de capacidad de sorción.

2.1.2 Efecto del pH

El pH de la solución acuosa es un importante parámetro que controla los procesos de adsorción de metales en diferentes adsorbentes, debido al hecho, de que los iones hidrógeno se constituyen en un adsorbato fuertemente competitivo. La adsorción de iones metálicos depende tanto de la naturaleza de la superficie adsorbente como de la distribución de las especies químicas del metal en la solución acuosa. El valor del pH de la fase acuosa es el factor más importante tanto en la adsorción de cationes como de aniones, siendo el efecto distinto en ambos casos. Así, mientras que la adsorción de cationes suele estar favorecida para valores de pH superiores a 4,5, la adsorción de aniones prefiere un valor bajo de pH, entre 1,5 y 4 [37], [38].

2.1.3 Efecto del tamaño de partícula

La adsorción tiene lugar fundamen-talmente en el interior de las partículas, sobre las paredes de los poros en puntos específicos. La cantidad de adsorbato (solu-to) que se puede adsorber es directamente proporcional al volumen, y es bien conocido que este volumen es directamente propor-cional al área externa y también que una partícula pequeña tiene mayor área superficial, o sea mayor área de la super-ficie interna por su cantidad de poros por unidad de masa.

2.1.4 Presencia de otros iones

La presencia de iones en la disolución hace que estos puedan competir con el metal en el interés de las zonas de sorción.

2.2 Modelos teóricos

Para el tratamiento de los datos experimentales obtenidos en las condiciones de equilibrio, y el análisis de los procesos de adsorción, los datos de equilibrio se expresan normalmente como isotermas de adsorción, relacionando analíticamente la cantidad de un determinado componente adsorbido en una interfase con la concentración de este componente en el seno de la fase.

El análisis del ajuste de los datos experimentales obtenidos en el proceso a los distintos modelos de isotermas existentes, permiten estimar el grado de purificación que puede ser alcanzado, la cantidad de adsorbente requerido, y la sensibilidad del proceso respecto a la concentración del producto. En la Tabla 2 se encuentran registrados los principales modelos de isotermas estudiados en los procesos de adsorción de metales pesados usando biomasas como material adsorbente.

Si bien es cierto que las isotermas de adsorción pueden determinar el grado de separación que ha de ser logrado, además es necesario poder establecer la velocidad de la adsorción para alcanzar la separación. Los modelos cinéticos permiten darle explicación al fenómeno de adsorción dentro de un proceso específico, estableciendo la velocidad con la cual los contaminantes (iones metálicos) son retirados del medio acuoso. En este sentido, se han propuesto numerosos modelos cinéticos para describir el mecanismo por el que transcurre el proceso de bioadsorción, estos se encuentran registrados en la Tabla 3.

3. Metales de interés en el proceso de bioadsorción

Los metales se pueden clasificar según el interés y su impacto ambiental en cuatro categorías:

Pesados tóxicos: los metales pesados lo constituyen un grupo de aproximadamente 40 elementos, de elevado peso atómico (mayor a 44) cuya densidad específica es superior a 5 g/cm³, excluyendo generalmente a los metales alcalinos.

Estratégicos: son minerales que entran en la producción del acero.

Preciosos: son aquellos que se encuentran en estado libre en la naturaleza, es decir, no se encuentran combinados con otros elementos formando compuestos.

Radionúclidos: es la forma inestable de un elemento que libera radiación a medida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en la naturaleza o producir en el laboratorio. Los metales pesados y radionúclidos son los que presentan mayor interés en la comunidad científica, al ser considerados altamente tóxicos y perjudiciales para el medio ambiente y la salud humana [14].

En la Tabla 4, se registran los principales metales pesados, sus fuentes de contaminación y su efecto en la salud humana [33], [42]. Se establece que la captación de aniones por acción de biomasas es de gran interés desde el punto de vista industrial y ecológico; un ejemplo claro de eso, es la remoción de iones de cromo hexavalente presente en aguas residuales; se ha demostrado, mediante diversos estudios que el principal mecanismo de eliminación de Cr (VI) para distintos biomateriales es la reacción oxido-reducción, convirtiendo el Cr (VI) a Cr (III).

Este mecanismo consta basicamente de tres pasos, primero el cromo hexavalente debe unirse a los grupos funcionales cargados positivamente, los cuales se encuentran en la superficie del biomaterial, entre estos grupos podemos mencionar los iones carbonilo, hidroxilo, amino entre otros. El segundo paso es la reduccion de Cr(VI) a Cr(III) por los grupos donadores de electrones adyacentes del biomaterial. Finalmente, el Cr(III) es reducido y liberado a la fase acuosa debido a la repulsion electronica entre los grupos con carga positiva y el Cr(III) [43].

4. Biomateriales: biomasas inertes y vivas

Los biosorbentes son materiales provenientes de la flora microbiana, algas, plantas, biomasa residuales, productos agroindustriales o algunos biopolímeros, estos deben ser capaces de adsorber directamente el metal de forma iónica de la solución. Los biomateriales son sometidos a tratamientos fisicoquímicos sencillos y de bajo costo; con el fin de mejorar su capacidad de adsorción en los procesos de aplicación como remoción de metales pesados o recuperación de especies metálicas en solución [44], [45].

La calidad del biosorbente está ligada a la cantidad de sorbato que pueda atraer y retener; en este sentido, la búsqueda de nuevos materiales biosorbentes de bajo costo y con gran potencial de adsorción de iones metálicos presentes en aguas residuales, se ha convertido en el objetivo principal de la ciencia. Razón por la cual, se han realizado diversos estudios evaluando la efectividad de muchas biomasas microbiológica, vegetal y animal, al igual que diversos productos derivados de su pre-tratamiento físico y modificación química [54].

En la Tabla 5, se registran algunos de los principales materiales usados en diferentes investigaciones para la remoción de metales pesados en medios acuosos. Aunque se han realizado un sin número de investigaciones donde diversos materiales orgánicos e inorgánicos han sido estudiados, con el fin de evaluar su potencial de adsorción de metales pesados en efluentes industriales, las biomasas microbianas (hongos, bacterias y algas) y los residuos agroindustriales (cáscaras de coco, cáscaras de naranja, cáscaras de limón, cáscaras de yuca, cáscaras de manzana, cáscaras tamarindo entre otras), constituyen el conjunto más estudiado hasta el momento.

Se observa que todos estos biomateriales presentan ciertas características en su estructura (rigidez, porosidad, festividad, entre otras) y composición química (grupos funcionales o sitios activos para la unión con los iones metálicos) que permiten la formación de fuertes enlaces con los iones metálicos, además, determinan las posibles modificaciones químicas o físicas que se llevarían a cabo para aumentar el potencial de adsorción del biomaterial [33], [45].

La bioadsorción es un proceso que se empezó a implementar a principios de los años 90 con el fin de remover sustancias contaminantes de las aguas residuales provenientes del sector industrial; a lo largo de esos años, las investigaciones se han centrado principalmente en la utilización de la biomasa viva y/o muerta. Sin embargo, los resultados arrojados en la bibliografía muestran como mejor alternativa los materiales derivados de la biomasa muerta, por sus ventajas tanto económicas como de mantenimiento, se destaca que el uso de las biomasas muertas evita el suplemento de nutrientes y elimina el problema de la toxicidad, además, el proceso de adsorción no se ve interrumpido por la muerte de los biomasa debido a las altas concentraciones de los contaminantes en el interior de las mismas. Además, las biomasas vivas, pueden presentar una variedad más amplia de mecanismos para la acumulación de metales.

En la Tabla 6, se establecen algunas ventajas y desventajas que presentan las biomasas vivas y muertas en el proceso de adsorción de metales pesados [27], [29], [78].

4.1 Modificaciones químicas y físicas de los biomateriales

Los materiales lignocelulósicos en su mayoría están conformados por celulosa, hemicelulosa, pectina y lignina. Estos polímeros de cadenas largas ramificadas o lineales, se encuentran presentes en las paredes celulares de las plantas, y son los principales responsables de la adsorción de los iones metálicos. Si bien es cierto, que las biomasas lignocelulósicas son buenas biosorbentes, es necesario conocer los grupos funcionales que estas poseen y su afinidad por los iones metálicos, pues la eficiencia del proceso dependerá de ello [80]-[85].

En la Tabla 7 se registran los principales grupos funcionales y su afinidad por los iones metálicos. Con base en la Tabla 7, los metales del grupo A tienden a formar enlaces con los ligandos de tipo I a través del átomo de oxígeno. Los elementos del grupo B, a su vez muestran una gran afinidad por los ligandos tipo III, pero además establecen fuertes uniones con los ligandos tipo II. Dicho sea de paso, los iones metálicos intermedios pueden establecer uniones con los tres tipos de ligandos con diferentes preferencias.

La capacidad de remoción de iones metálicos del biosorbente va a depender de ciertos parámetros controlables en el proceso de adsorción como lo son el pH, el tamaño de partícula, la temperatura, y la concentración de la biomasa, sin embargo, es posible incrementar dicha capacidad de remoción mediante la modificación física o química de sus propiedades. En la Tabla 8 se registran algunas modificaciones reportadas en la literatura, y en la Tabla 9 las capacidades máximas de siete biomasas, de las cuales se establece que la modificación química a los materiales, mejora la capacidad de remoción metálica de los materiales.

5. Conclusiones

Los principales metales que se encuentran en los efluentes industriales son: cadmio, zinc, cromo, níquel, mercurio y plomo. Estos iones metálicos son considerados potenciales devastadores de los ecosistemas y la salud humana, he ahí la necesidad de disminuir su concentración en los cuerpos de agua, suelo y aire.

La bioadsorción es una de las alternativas de tratamiento de aguas residual más eficientes, debido a los bajos costos de implementación y mantenimiento en relación a los tratamientos tradicionales de recuperación de metales pesados en efluentes acuosos.

En cuanto a los mecanismos para la captación de los iones metálicos, son muy variados y dependen, en cada caso, del metal de interés y del tipo de material biosorbente a evaluar. Los biosorbentes pueden ser materiales provenientes de la flora microbiana, algas, plantas, biomasas residuales y productos agroindustriales.

El proceso de bioadsorción realizado con biomasas vivas puede presentar una variedad más amplia de mecanismos de acumulación de metales, sin embargo, los biosorbentes pueden verse afectados por las altas concentraciones de dichos contaminantes, interrumpiendo el proceso de adsorción por la muerte de la biomasa. Por consiguiente, el uso de biomasa no viva, se ha convertido en el principal tema de investigación para los científicos, siendo estas de fácil acceso, bajo costo y con gran capacidad de adsorción. Además, sus propiedades físicas y químicas pueden ser modificadas, incrementando los sitios activos de sorción.

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