Evaluación del tratamiento de soluciones multimetálicas en un sistema de adsorción con arcillas y zeolita natural peletizadas

Abstract

Se analizó la capacidad de remoción de metales pesados empleando pelets adsorbentes hechos con bentonita, caolín y zeolita natural. En una columna de adsorción se compararon pelets con diferentes proporciones de arcillas y zeolitas y tratamiento químico. El adsorbente de mayor eficiencia de remoción fue al que no se le realizó tratamiento químico y fue elaborado con una proporción de 67% zeolita, 29% de bentonita y 4% de caolín. Contrario a lo esperado el tratamiento con ácido redujo la capacidad de adsorción de los adsorbentes, esto debido a la agresividad del tratamiento que colapsó la estructura interna del material. Usando el adsorbente de mayor eficiencia de remoción se aplicó el análisis de superficie de respuesta y un diseño central compuesto rotatorio para definir las condiciones óptimas de operación; tiempo de circulación, dosis de adsorbente, pH de la solución inicial y concentración inicial de metales pesados en solución. Para el plomo éstos fueron de 150 minutos, 25 g/l, pH de 4.3 y 4 mg de Pb/L; para el cobre 150 minutos, 25 g/l, pH 4.3 y 7 mg de Cu/l; y para el cadmio 240 minutos, 25 g/l, pH de 4.3 y de 2 mg de Cd/L. Se probó el ajuste de los datos de equilibrio de adsorción a las isotermas de Langmuir, Freundlich, Temkin y Dubinin-Radushkevich. La linearización tipo I de la isoterma de Langmuir fue la de mejor ajuste para los tres metales con capacidades máximas de adsorción para plomo, cobre y cadmio de 7.27 mg/g, 1.45 mg/g y 0.28 mg/g respectivamente. En la cinética de adsorción el sistema se estabilizó a partir del minuto 300 y los datos de plomo y cobre se ajustaron mejor al modelo de Pseudo segundo orden y al de Pseudo primer orden para el cadmio. Respecto al paso controlante de la adsorción para el cobre y plomo la etapa controlante es la difusión en película y en el caso del cadmio la difusión intraparticular. Los principales mecanismos de adsorción son el intercambio catiónico y procesos físicos como fuerzas de Van der Waals. La comparación de los resultados obtenidos con otros adsorbentes demuestra la necesidad de realizar un tratamiento químico más efectivo y un análisis más a fondo de los efectos del tratamiento para que la capacidad máxima de adsorción sea competitiva frente a otros materiales.

The use of adsorbent pellets of natural bentonite, kaolin and zeolite is analyzed in this work to study the removal capacity of heavy metals from wastewaters. Adsorbent pelets made with different aluminosilicates and zeolite proportions, and treatments were compared in an adsorption column system. The adsorbent with the highest removal efficiency had a proportion of 67% zeolite, 29% bentonite and 4% kaolin and no chemical treatment. Contrary to the expected acid activation reduced the adsorption capacity of the adsorbents due to the aggressiveness of the process that collapsed the internal structure. Using the adsorbent with the highest adsorption efficiency the surface response analysis with a central composite rotatable design was applied to define optimal operating conditions. The four factors evaluated were contact time, adsorbent dose, pH value and heavy metals initial concentration; for lead, copper and cadmium these values are; 150,150 and 240 min; 25, 25, 25 g/mL; 4.3, 4.3, 4.3; and 4, 7, and 2 mg/L respectively. Equilibrium adsorption was analyzed with the Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich models. Type I linearization of the Langmuir isotherm had the better fit for lead, copper and cadmium predicting maximum adsorption capacities of 7.27 mg/g, 1.45 mg/g and 0.28 mg/g respectively. The kinetics showed that after 300 minutes removal efficiency begins to stabilize for all three metals. Lead and copper data fitted better with the Pseudo second order model and cadmium with the Pseudo first order model. The rate limiting step of the adsorption for lead and copper is the film diffusion and for cadmium the intraparticular diffusion. Main adsorption mechanisms are cation exchange and physical processes such as Van der Waals forces. The comparison between the obtained results and other researches highlights the need to improve the pelets adsorption capacity. The latter could be done optimizing acid activation conditions and a thorough analysis of both thermal and chemical treatment effects.