Electroadsorción de metales pesados por carbón activado

Diana A. Medina Gonzalez¹ y Lucía G. Alvarado M.²

Resumen

La Electrosorción (deionización capacitiva) se define como la adsorción inducida por el potencial de iones en la superficie de un electrodo cargado.  El carbón activado se ha utilizado como superficie de contacto del electrodo debido a su alta capacidad de adsorción y buena conductividad eléctrica. El siguiente trabajo presenta los resultados obtenidos al estudiar la electroadsorción de Cr (III) y As III) sobre carbón activado. Las concentraciones empleadas fueron de 100 mg/L en los dos casos, observándose una buena capacidad de adsorción de estos metales en un rango de potencial de -1.0 a 1.0 V.

Palabras clave: Electro-adsorción, Carbón activado, Metales pesados.

Introducción

El desarrollo de nuevos materiales y productos, así como la perforación cada vez más profunda de pozos, se relaciona con metales disueltos, y más allá de eso, específicamente hablando, metales pesados. Los metales pesados se encuentran generalmente como componentes naturales de la corteza terrestre, en forma de minerales, sales u otros compuestos, no pueden ser degradados o destruidos fácilmente de forma natural o biológica ya que algunos no tienen funciones metabólicas específicas para los seres vivos (Abollino et al., 2002). La toxicidad de los metales pesados depende de su movilidad en el medio, que a su vez, depende de su especiación química, persistencia y tendencia de acumulación o bioacumulacion (Domenech & Peral, 2008.Kumar, et al; 2012). En México, las actividades industriales que están relacionadas con el uso y aprovechamiento de los mismos son la  industria eléctrica, petrolera, petroquímica, curtiduría, química, metalúrgica y de manufactura, las cuales son básicas para el desarrollo social, de ahí la importancia de proponer nuevas estrategias para minimizar su impacto ambiental.

Dentro de los metales pesados tóxicos más conocidos se encuentran el Arsénico y el Cromo. El arsénico se utiliza industrialmente como agente de aleación y también para el procesamiento de vidrio, pigmentos, textiles, papel y adhesivos metálicos. Dentro de las afectaciones a la salud por exposición a dicho metal está el cáncer y lesiones cutáneas. Su toxicidad depende del estado de oxidación, forma química y solubilidad en el medio biológico. La toxicidad del As (III) es aproximadamente 10 veces mayor que la del As⁵⁺ (Perez et,al; 2015). Otro metal de interés es el Cromo, como es sabido, dicho metal en estado hexavalente es causante de mutaciones y daño en material genético (Celso de Mello et al., 2011). Este metal pesado se usa en la industria automotriz, para el cromado de piezas o para el curtido de pieles, siendo en esta última actividad el Cromo Trivalente (3+) el que se encuentra en efluentes residuales. El cromo trivalente no es de gran toxicidad, pero bajo ciertas condiciones del medio se oxida, transformándose en cromo hexavalente, elemento de alta toxicidad.

Entre las técnicas de tratamiento de aguas para la remoción de metales pesados en agua se encuentran la filtración por membranas, electrodiálisis, osmosis inversa, intercambio iónico, precipitación química, coagulación, floculación y adsorción (Cavines et, al; 2015).  Comparando dichos tratamientos, la adsorción presenta la ventaja de poseer fácil operación, retención del metal en presencia de otros cationes,  la posibilidad de recuperar los metales pesados y cinética rápida y selectiva dependiendo del adsorbente, de lo cual también depende su rendimiento, básicamente por la estructura física del mismo (Liu & Lee, 2014). En la actualidad, el carbón activado es muy utilizado en el tratamiento del agua gracias a su elevada capacidad de adsorción, removiendo sustancias orgánicas y metales pesados (Lavado et,al; 2010); aunque el uso del Carbón activado para la adsorción de Metales pesados en solución es eficiente, se han hecho estudios para aumentar su rendimiento aplicando un potencial eléctrico en un ambiente controlado mediante la medición del potencial del electrodo (Zakaria, 2014), electroadsorción. Esta se refiere a un fenómeno de adsorción inducida por un diferencial de potencias sobre la superficie de un electrodo (Han et al. 2006), de esta manera los iones cargados dentro de la solución son forzados a moverse  hacia los electrodos de cargas opuestas, ocurriendo así la separación de cargas a través de la interfase Electrodo-Disolución (Li et, al;2008), lo cual favorece la capacidad de adsorción del carbón activado, ya que en función del potencial aplicado se modifica la densidad electrónica del adsorbente (carbón activado) pudiendo llevar a cabo la interacción con las especies iónicas en la disolución de interés (Bain et, al; 2010).

Métodos y materiales

Se prepararon soluciones de As (III) a partir de NaAsO₂ (Arsenito de Sodio), también las  soluciones de Cr (III) a partir de CrCl₃ 6H₂O, el agua utilizada fue Desionizada. Se utilizó carbón activado marca  Hycel, el cual fue acondicionado con una solución de KOH 1 N, grado reactivo (85 %, Monterrey), las mediciones de masa se realizaron en balanza analítica Precisa 205 A SCS, la placa de agitación multi-posición utilizada fue marca Velp, la agitación se llevó a cabo en todos los experimentos a 300 rpm; el pH y la conductividad fue medida con un conductivímetro Oakton.

Acondicionamiento del carbón.  El carbón activado fue sometido a un acondicionamiento con  KOH 1 N durante durante 30 minutos, posteriormente fue filtrado y secado a 100 °C.

Caracterización del carbón activado, Potencial Zeta. El equipo utilizado para las lecturas del Potencial Zeta del Carbón activado fue el ZETASIZER Nano Series marca Malvern, en el cual se llevó a cabo la lectura del potencial Zeta del carbón antes y después de realizar la adsorción de metales pesados en un intervalo de pH de 2 a 13 en una solución de KCl 1 mM.

Electrodos de carbón activado.  Se utilizaron barras de grafito de 0.5 cm de diámetro, a los cuales se les agregó una capa de carbón activado utilizando solución de Nafión marca Aldrich.

Electroadsorción. La experimentación fue llevada a cabo en una celda de microelectrólisis, empleando como electrodo de trabajo el  electrodo  preparado con carbón activado, como contra electrodo una barra de grafito y como referencia un electrodo de Calomel. Se realizaron corridas para un blanco que consistió en una superficie de grafito y posteriormente con el arreglo antes especificado.  Fueron utilizados 100 ml de solución 100 ppm de As (III)  y 100 ppm de Cr (III) de manera independiente. La ventana de potencial analizada fue de -1.0 a 1.0 V con una velocidad de barrido de 100 mVs^-1.

Resultados

Caracterización del carbón activado, Potencial Zeta. Para la caracterización del carbón activado acondicionado antes y después de la adsorción de los metales pesados As (III) y Cr (III)  se midió el potencial zeta, el cual es una manera de conocer el comportamiento del adsorbente, ya que indica cambios en el potencial de la superficie del mismo y en las fuerzas de atracción electrostática o repulsión en el sistema.

En la figura 1, se muestra el comportamiento del potencial Zeta respecto al pH.  Como puede observarse, el carbón activado presenta potencial zeta negativo, lo que indica que tendería a la adsorción física de aniones, así que se analizará en función de los respectivos diagramas de distribución de especies para los sistemas Cr (III) – H₂O y As (III)-H₂O, figura 2.  Situándonos en el caso del Arsénico, en la figura 1 puede verse como para valores de pH debajo de 6 y por encima de 9 el comportamiento es similar entre el carbón antes y después de la adsorción de Arsénico, ello se debe, figura 2, a que por debajo de pH 6 la especie predominante es el H₃AsO₃ la cual es especie neutra, y por lo que muestra el gráfico de potencial zeta, no cambia el punto de carga cero del carbón ni presenta adsorción.  Sin embargo entre 6 y 9 nos indica que existe una atracción, pese a su carga con el H₂AsO_3- , ello daría indicios de una adsorción tipo química.  Por otro lado, para el caso del Cr (III), entre pH 3 y 7 existe un cambio de potencial zeta más marcado a valores más positivos, lo que indica que está existiendo una atracción física entre la superficie y Cr3+, CrOH²⁺ y Cr (OH)₂⁺.

Electroadsorción. Para conocer la capacidad de electro-adsorción de los metales pesados de interés, se llevó a cabo una Voltamperometría cíclica en una ventana de potencial de -0.5 a 1.0 V y -0.5 a 0.8 V vs SCE respectivamente, iniciando hacia potenciales positivos desde el OCP y una velocidad de barrido de 100 mV/s.  En la figura 3 se presentan los voltamperogramas correspondientes a a) As (III) y b) Cr (III).  Como puede observarse en a) la señal correspondiente a carbón activado es alrededor del doble que la encontrada en la superficie de grafito, lo mismo que en el caso de b).  Para el caso del As (III) la adsorción inducida se ve reflejada hacia potenciales positivos ya que se trata de aniones, caso contrario para el caso del Cr (III) que se presenta como catión y es entonces que presenta a potenciales negativos.  Para el primer caso la adsorción se aprecia desde 0 a aproximadamente 0.6 V, mientras que en el segundo caso de 0.3 a -0.4 V.

La capacitancia por su parte fue calculada mediante las ecuaciones (1) y la capacitancia especifica con la ecuación  (2), la figura 4 muestra  los gráficos donde se relacionan los valores de capacitancia y potencial de los experimentos realizados con el As y Cr.

Donde i= Corriente eléctrica (A),

V= Potencial eléctrico (V) y

m= Masa del Carbón activado acondicionado (gr).

La capacitancia específica está relacionada con la masa de Carbón activado de los electrodos utilizados para la electro adsorción, es decir, la cantidad de iones electro adsorbidos por gramo del Carbón activado, la figura 5 muestra los gráficos donde se relacionan los valores de capacitancia específica y el potencial de los experimentos realizados para As y Cr capacitancia especifica.

Conclusiones

El uso de carbón activado como material adsorbente en procesos de electro adsorción de metales pesados como el As y Cr es una alternativa viable y efectiva ya que la capacidad de adsorción del carbón activado aumenta a potenciales bajos, haciendo que el uso de esta técnica ofrezca numerosas ventajas como el uso mínimo de energía para la remoción de estos metales en agua y un control del proceso de adsorción.

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