Evaluación de la capacidad de biosorción de plomo en columna de lecho fijo con cáscara de plátano bellaco (musa paradisiaca) de la planta procesadora de Aguaytía-Ucayali, Perú

Abstract

La presente tesis tiene como objetivo evaluar la capacidad de biosorción de plomo en columna de lecho fijo con cáscara de plátano bellaco (Musa Paradisiaca) para lo cual se prepararon soluciones sintéticas de este metal y muestras de este biosorbente. La caracterización fisicoquímica de biosorbente fue propicia para determinar una alta porosidad de casi 57%. Asu vez la determinación de la carga cero arrojó un valor de pH de 10.28 y la estimación de sitios ácidos es predominante frente a los básicos (71.30% de grupos A-B) confirmaron que la cáscara de plátano se tornó un prometedor biosorbente ácido. En el espectro FTIR se identificaron las posibles zonas de rupturas o de generación de sitios activos negativos o básicos capaces de adsorber los cationes Pb (II) vía una serie de vibraciones del esqueleto aromático de tanto la celulosa, hemicelulosa como la lignina, estiramiento de grupos funcionales OH tanto en la celulosa como en la hemicelulosa, así como el estiramiento del CO y vibración asimétrica del CH en la lignina. Además, este biosorbente observó un área específica superficial total estimada por el método BET de 0.099 m2/g y un área superficial externa de 0.077 m2/g calculada por el método T-Plot que también contribuye con estas premisas. Este último método fue un estimador del área superficial mesoporosa del biosorbente porque determinó una microporosidad analizada de 0.022 m2/g y un diámetro promedio de 59 Å muy favorable para el proceso de adsorción de metales pesados tales como el plomo. La caracterización química de biosorbente evidenció 38 932.03 ppm K, 1 246.32 ppm Mg, 895.62 ppm Ca y 888.90 ppm P, y poco significativo contenido de plomo (es menor a 0.5 mg/kg Pb). Asimismo, estudios SEM/EDS SEM, realizó un análisis puntual del contenido elemental del biosorbente. Las composiciones determinadas fueron: 69.85%O, 25.70%C, 3.60%K y 0.60%Mg. Adicionalmente, análisis químicos de elementos claves, CHONS: 41.342%C, 6.391%H, 0.839%N, 0.019%S y 37.008%O, fueron determinantes para corroborar la formación de los grupos funcionales OH, CH y CO, así como, calificarlo como un potencial biocombustible debido a que alcanzó una energía específica de16 533.992 KJ/kg. Un análisis de proximidad o inmediato de carbones del biosorbente permitió determinar: 3.85% H2O, 76.155 materia volátil, 9.34% cenizas y 10.66% carbón fijo, también le atribuye las características de un carbón activado, capaz de recuperar metales en su estructura. En el diagrama de Pareto de efectos individuales se observó que los factores X1: masa del biosorbente, X2: concentración inicial de plomo y X3: altura de lecho, ejercen efectos individuales A, B y C, respectivamente, y múltiples: AC, BC, AB y ABC sobre la variable respuesta: % biosorción de plomo. En este caso el orden jerárquico existente entre los efectos estandarizados es como sigue: B > C > A > BC > AB > ABC > AC. Asimismo, el análisis de los efectos positivos para el % biosorción de plomo de mayor a menor corresponden a los efectos C, A y BC (C > A > BC) mientras que los negativos son: B > AB > AC > ABC. Con relación a los efectos individuales analizados a través de varianzas, se tiene: C > A > > > > B sin embargo los de sinergia múltiple, tienen otro comportamiento: BC > ABC > > > > AC > AB. Los modelos de Yoon-Nelson y el modelo de Thomas fueron los que mejor reprodujeron las curvas de ruptura alcanzando en promedio constantes específicas de reacción de 0.004425 min-1 con un R2 de 0.948675 para el caso del primer modelo, reacción química de primer orden, mientras que para el segundo alcanzó 0.0007 L.mg-1.min-1 para un R2 de 0.940875, reacción química de segundo orden. Estos ajustes viabilizaron la posibilidad de que este ocurriendo una reacción química de interfaces en el sistema cáscara de plátano bellaco y plomo. Por lo mismo, se infiere un probable mecanismo de biosorción del plomo en la superficie de la cáscara de plátano bellaco. Esto ocurriría principalmente en los grupos funcionales presentes tanto en la celulosa como en la lignina y retardándose la reacción orgánica debido a algunos interferentes (radicales CH) presentes en las interfases de la cáscara de plátano bellaco. Por esta razón, el principal mecanismo de reacción que controla este proceso de biosorción de plomo en la superficie de la cáscara de plátano bellaco (Musa paradisiaca) es la reacción química de interfaces específicamente en la superficie de celulosa y hemicelulosa que poseen grupos OH muy reactivos y en la lignina solo tendría lugar la vibración asimétrica del radical CH. Finalmente, se pudo determinar la afinidad de la cáscara de plátano bellaco (Musa paradisiaca) por el plomo porque se obtuvo una eficiencia de biosorción de 92.81%.

The objective of this thesis is to evaluate biosorption capacity of lead in a fixed bed column with banana peel (Musa Paradisiaca), for which synthetic solutions of this metal and samples of this biosorbent were prepared. The physicochemical characterization of the biosorbent was conducive to determining a high porosity of almost 57%. At the same time, the determination of the zero charge yielded a pH value of 10.28 and the estimation of acidic sites being predominant over basic ones (71.30% of groups A-B) confirmed that banana peel became a promising acid biosorbent. In the FTIR spectrum, possible areas of ruptures or generation of negative or basic active sites capable of adsorbing Pb (II) cations were identified via a series of vibrations of the aromatic skeleton of cellulose, hemicellulose and lignin, stretching of OH functional groups in both cellulose and hemicellulose, as well as stretching of CO and asymmetric vibration of CH in lignin. Furthermore, this biosorbent observed a total specific surface area estimated by the BET method of 0.099 m2/g and an external surface area of 0.077 m2/g calculated by the T-Plot method that also contributes to these premises. This last method was an estimator of the mesoporous surface area of the biosorbent because it determined an analyzed microporosity of 0.022 m2/g and an average diameter of 59 Å, very favorable for the adsorption process of heavy metals such as lead. The chemical characterization of the biosorbent showed 38 932.03 ppm K, 1 246.32 ppm Mg, 895.62 ppm Ca and 888.90 ppm P, and little significant lead content (it is less than 0.5 mg/kg Pb). Likewise, SEM/EDS studies SEM, carried out a specific analysis of the elemental content of the biosorbent. The compositions determined were: 69.85%O, 25.70%C, 3.60%K and 0.60%Mg. Additionally, chemical analyzes of key elements, CHONS: 41.342%C, 6.391%H, 0.839%N, 0.019%S and 37.008%O were decisive to corroborate the formation of the functional groups OH, CH and CO, as well as qualify it as a potential biofuel because it reached a specific energy of 16,533,992 KJ/kg. A proximity or immediate analysis of carbons in the biosorbent allowed us to determine: 3.85% H2O, 76,155 Volatile Matter, 9.34% ashes and 10.66% Fixed Carbon, also attributing the characteristics of an activated carbon, capable of recovering metals in its structure. In the Pareto diagram of individual effects, it was observed that the factors X1: mass of the biosorbent, X2: initial lead concentration and AB and ABC on the response variable: % lead biosorption. In this case, the existing hierarchical order between the standardized effects is as follows: B > C > A > BC > AB > ABC > AC. Likewise, the analysis of the positive effects for the % lead biosorption from highest to lowest correspond to the C, A and BC effects (C > A > BC) while the negative ones are B > AB > AC > ABC. In relation to the individual effects analyzed through variances, we have: C > A > > > > B, however those with multiple synergy have another behavior: BC > ABC > > > > AC > AB. The Yoon-Nelson models and the Thomas model were the ones that best reproduced the rupture curves, reaching on average specific reaction constants of 0.004425 min-1 with an R2 of 0.948675 in the case of the first model, a first-order chemical reaction. While for the second it reached 0.0007 L.mg-1.min-1 for an R2 of 0.940875, second order chemical reaction. These adjustments made possible the possibility that a chemical reaction of interfaces could occur in the banana peel and lead system. For this reason, a probable lead biosorption mechanism on the surface of the banana peel is inferred. This would occur mainly in the functional groups present in both cellulose and lignin and the organic reaction would be delayed due to some interferents (CH radicals) present in the interfaces of the banana peel. For this reason, the main reaction mechanism that controls this lead biosorption process on the surface of the banana peel (Musa paradisiaca) is the chemical reaction of interfaces specifically on the surface of cellulose and hemicellulose that have very reactive OH groups. and in lignin only the asymmetric vibration of the CH radical would take place. Finally, the affinity of the banana peel (Musa paradisiaca) for lead could be determined because of a biosorption efficiency 92.81%.