Estudio de la biosorción de ion

Resumen

Se investigó la adsorción de iones Cu
(II), Ni (II) y Pb (II) mediante quitosano modificado en
diferentes formas: en función del pH inicial, masa de
adsorbente, concentración inicial del metal, y
cinética de adsorción, mediante experimentos
discontinuos a temperatura ambiente. Se produjeron 3 tipos de
adsorbentes: quitosano en polvo (Q), perlas de quitosano
entrecruzado y funcionalizado (QF) y alginato (A).

Palabras clave: Quitosano, quitosano
entrecruzado, ion Cu (II), ion Ni (II), ion Pb (II),
adsorción, isoterma de adsorción, pH.

BIOSORPTION OF COOPER (II), NICKEL
(II) AND LEAD (II) BY MEANS CHITOSAN AND CROSS-LINKAGE
FUNTIONALIZED CHITOSAN

ABSTRACT

The adsorption of cooper (II), nickel (II) and lead (II)
by means of chitosan with different treatments was investigated
as: a function of initial pH, adsorbent mass, initial metal
concentration, and adsorption kinetics. Batch equilibrium and
kinetics experiments were performed at room temperature. Three
types of adsorbents were produced: powder chitosan (Q), powder
cross-linked functionalized chitosan (QF), and alginate
(A).

Key words: Chitosan, cross-linkage functionalized
chitosan, cooper (II) ion, nickel (II) ion, lead (II) ion,
adsorption, adsorption isotherm, pH.

Introducción

La contaminación ambiental y el deterioro de
algunos ecosistemas han sido intensificados debido al incremento
de la actividad industrial, generando una acumulación de
metales pesados y compuestos sintéticos. Las aguas
residuales provenientes de las actividades mineras y
metalúrgicas son consideradas como la mayor fuente de
contaminación de metales pesados y la necesidad de
métodos económicos y efectivos para la
remoción de estos metales ha conllevado al desarrollo de
nuevas tecnologías de separación1. Muchas de estas
sustancias tóxicas que contienen metales pesados tienden a
persistir indefinidamente en el medio ambiente, comprometiendo la
salud de animales y personas mediante su acumulación e
ingreso a la cadena alimenticia2. Para remover materia
orgánica de alta masa molecular o sustancias
inorgánicas presentes en aguas residuales, se emplea
carbón activado como sustancia adsorbente o resinas de
intercambio iónico, los cuales son efectivos, pero tienen
alto costo.

a Escuela Profesional de Quimica. Facultad de Ciencias.
Universidad Nacional de Ingenieria.

Actualmente, los procesos biotecnológicos han
llamado la atención de la comunidad científica por
la variedad de métodos destoxificantes empleados para la
descontaminación del ambiente. Dentro de este contexto,
estos procesos se han separado en dos grandes rubros dentro del
mismo objetivo: bioacumulación y biosorción.
Entendida la primera como un proceso activo de eliminación
de contaminantes mediante mecanismos metabólicos
involucrando biomasa viviente, y biosorción como un
proceso pasivo con un mecanismo netamente fisicoquímico,
por medio de biomasa no viviente3,4, que es menos costosa,
más manipulable y presenta menos riesgos de obtener
productos no deseados que la bioacumulación. Por ende, la
biosorción es un área de investigación con
muchos aportes a la comunidad industrial por brindar una
alternativa técnica y económicamente viable y por
ser considerada una tecnología "limpia" en la
eliminación de contaminantes provenientes de aguas
residuales o de desecho de actividades productivas. La
biosorción ya ha abordado el problema de la
eliminación de oro y cromo de fuentes acuíferas,
usando una variedad de biomasas, entre ellas: algas, levadura,
hongos, bacterias, quitosano, etc.5-9; pero muy pocos han sido
los estudios que han desarrollado en detalle todos los
parámetros fisicoquímicos de este proceso ni han
podido establecer un mecanismo coherente a los
resultados.

Lamentablemente, los resultados obtenidos no han sido
tan exitosos como los hallados con plomo, cadmio y otros metales
pesados que existen en forma catiónica en solución
acuosa10-13. Oro y cromo son dos de los pocos metales que existen
en forma aniónica en solución acuosa formando iones
complejos, y dado que la mayoría de biosorbentes presenta
bases de Lewis como centros activos, la adsorción de
aniones es reducida. Se ha desarrollado adsorbente tipo
catiónico de quitosano (Q), el cual ha sido exitosamente
usado como adsorbente para humedad, compuestos orgánicos e
inorgánicos14,16. Los resultados demuestran que el
intercambio iónico es importante en el mecanismo de
adsorción. En dichos estudios la permanente carga positiva
del grupo amino del quitosano modificado es el centro activo
principal responsable de la adsorción observada y le
brinda resistencia mecánica y química. Esta
permanente carga positiva independiente del pH, y el mejoramiento
de sus propiedades mecánicas, por entrecruzamiento con
glutaraldehído, las convierten en potenciales adsorbentes
para contaminantes y metales preciosos que se encuentran en forma
aniónica.

Por otra parte, la rapidez de fijación del soluto
en el biosorbente es estudiada por la cinética de
biosorción, la cual expresa el cambio de
concentración del soluto en el tiempo y es definida por la
ley de velocidad. Entre los modelos cinéticos ampliamente
empleados por muchos autores se encuentran el modelo de la
cinética de pseudo primer orden o ecuación de
Lagergren y el modelo de pseudo segundo orden o ecuación
de Ritchie16,17.

Modelo de pseudo
primer orden

Este modelo asume la biosorción como una
reacción de primer orden en cada uno de sus reactantes a
partir de:

Modelo de pseudo
segundo orden

En el modelo de Pseudo Segundo Orden la ecuación
cinética está representada por:

Parte
experimental

Preparacion del quitosano entrecruzado funcionalizado
con CS2

Disolver 1g de quitosano en 25mL de ácido
acético 4%. Luego gotear la solución sobre una
solución de 250mL de NaOH 2.5N con agitación
moderada. La solución alcalina se agita por 12 horas y
finalmente se lavan con agua destilada hasta pH
neutro.

Para obtener el quitosano entrecruzado con
glutaraldehido, agregar 0,5g de la perlas de quitosano obtenidas
anteriormente a un vaso con 100mL de metanol, luego añadir
0,05mL de una solución acuosa de glutaraldehido 25%.
Después agitar a temperatura ambiente por 6 horas, filtar
la producto. El producto obtenido se trata con 25mL de NaOH 14% y
agregar desde una pera de decantación 1mL de CS2 (agregar
a la pera el reactivo y encima de esta agua destilada para evitar
la formación de gases explosivos). Agitar a temperatura
ambiente por 24horas. Finalmente filtrar y lavar con agua
destilada y aire seco.

Preparación de las esferas de alginato de
calcio

Las esferas de alginato se prepararon mediante el uso de
alginato de sodio como precursor, de la siguiente
manera:

Como primer paso se preparó una solución
al 2% (w/v) de alginato de sodio en agua desionizada.

Se pesaron 2 g de alginato de sodio y se disolvieron en
100 mL de agua desionizada. Posteriormente, se colocó la
disolución en una parilla de agitación por 3 h a
una temperatura de 50 °C hasta obtener una solución
transparente y viscosa; esta solución se dejó
reposar por 24 h.

Adicionalmente, se prepararon 500 mL de solución
de 150 mM de cloruro de calcio.

Para la preparación de las esferas de alginato se
añadió la solución de alginato de sodio gota
a gota (aproximadamente una gota por segundo) en un vaso de
precipitado que contenía la solución de cloruro de
calcio, agitando suavemente (aproximadamente 60 rpm).

Las esferas formadas en la solución se dejaron
agitando por 24 h.

Después se separaron las esferas de la
solución y se lavaron 5 veces con agua desionizada,
produciendo esferas de alginato desprotonado.

Finalmente, las esferas se dejaron secar en un horno a
35 °C.

Las esferas de alginato de calcio obtenidas
en el procedimiento descrito, se tamizaron para seleccionar un
tamaño de partícula de aproximadamente 1 mm, las
cuales fueron utilizadas posteriormente en experimentos de
biosorción .

Biosorcion de metales

Las soluciones de 1-5 ppm de Cu, Ni y Pb se dividieron
en dos partes: 10 mL se destinaron para medición directa
en el equipo de absorción atómica (Perkin Elmer
AAnalyst 200), y los 10 mL restantes de cada solución de
metales se vertieron en erlenmeyers de 50 mL provistos de barras
magnéticas para agitación, seguidamente se les
adicionó 10 mg de quitosano o alginato y 1 mL de HCl al 5%
para llevar el pH a 4,0, finalmente se suspendieron en
agitación a 250 rpm durante tres horas.

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Autor:

Giancarlo Díaza,

Gerson Ruiza,

Sandra Quispea,

Luis Chávez*a

Enviado por:

Adolfo