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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

BIOSORCIÓN DE CROMO Y NÍQUEL EN AGUAS CONTAMINADAS USANDO

QUITOSANO

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA

QUÍMICA

AUTOR: DIANA ESTEFANÍA BUITRÓN ORTEGA

QUITO

2015

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA


QUITOSANO

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA

QUÍMICA

AUTOR: DIANA ESTEFANÍA BUITRÓN ORTEGA

TUTOR: ING. GHEM LEONEL CARVAJAL CHÁVEZ

QUITO

2015

ii

APROBACIÓN DEL TUTOR

En calidad de tutor del trabajo de grado titulado, “BIOSORCIÓN DE CROMO Y NÍQUEL EN

AGUAS CONTAMINADAS USANDO QUITOSANO” me permito certificar que el mismo es

original y ha sido desarrollado por la señorita DIANA ESTEFANÍA BUITRÓN ORTEGA, bajo

mi dirección y conforme con todas las observaciones realizadas, considero que el trabajo está

concluido y tiene mi aprobación

En la ciudad de Quito, a los 31 días del mes de julio del 2015.

------------------------------------------------------------

Ing. Ghem Carvajal

PROFESOR TUTOR

iii

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, BUITRÓN ORTEGA DIANA ESTEFANÍA, en calidad de autora del trabajo de grado

realizado sobre “BIOSORCIÓN DE CROMO Y NÍQUEL EN AGUAS CONTAMINADAS

USANDO QUITOSANO” por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL

ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene

esta obra, con fines estrictamente académicos y de investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización,

seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y

demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

En la ciudad de Quito, a los 31 días del mes de julio del 2015.

----------------------------------------

Diana Estefanía Buitrón Ortega

C.C. 1723482764

[email protected]

iv

DEDICATORIA

A Dios, por su infinita bondad y amor que

me ha permitido cumplir con éxito este

objetivo, siendo un logro más en mi vida.

A mi Madre, mi ejemplo a seguir, que hace

todo en la vida para que yo pueda lograr

mis sueños, por motivarme y siempre

brindarme su amor incondicional.

A mis hermanos Alex y Diego que siempre

están conmigo dándome fuerzas para

continuar.

Finalmente a mis abuelitos y tíos quienes

han sido un gran apoyo en mi vida y que

desde pequeña siempre han estado a mi

lado en todo momento, dándome aliento

para seguir adelante.

v

AGRADECIMIENTOS

A la Universidad Central del Ecuador, mi Alma Mater, Facultad de Ingeniería Química, que me

ha formado durante estos años de estudios universitarios, le debo los conocimientos y el

aprendizaje que ahora se ve reflejado en la culminación de mi carrera.

A la Ing. Lorena Villareal, al Ing. Mario Calle y todos mis profesores, quienes durante los años

de estudio, han sabido impartirme los sabios conocimientos y experiencia, que me permiten

ahora realizar esta investigación.

A mi tutor y profesor Ing. Ghem Carvajal, quien me ha guiado en todo momento para poder

culminar este trabajo investigativo con su vasta experiencia y profesionalismo.

Al Ing. Carlos Guepud, Ing. Luis Calle e Ing. Diego Montesdeoca por la colaboración brindada

durante el desarrollo experimental.

A David por brindarme su amor, paciencia y apoyo.

A mis amigos por estar conmigo todo este tiempo y creer en mí, no puedo escribir el nombre de

todos pero los llevo en mi corazón, un agradecimiento especial para Tefa, Fredy, Kate, Ivonne,

Sonita, Lennin, Andre, Jhoselyn y Danny.

Y a todos quienes de forma directa o indirecta colaboraron para que esta investigación culmine

exitosamente.

De todo corazón muchas gracias.

vi

CONTENIDO

pág.

LISTA DE TABLAS ..................................................................................................................... x

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. xii

LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................................. xiii

LISTA DE ANEXOS ................................................................................................................. xiv

RESUMEN .................................................................................................................................. xv

ABSTRACT ............................................................................................................................... xvi

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1

1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................................. 3

1.1. Problemática ambiental ......................................................................................................... 3

1.1.1. Contaminación del agua por metales pesados.. ................................................................. 4

1.1.1.1. Cromo.. ............................................................................................................................ 8

1.1.1.2. Níquel.. ............................................................................................................................ 8

1.1.1.3. Contaminación de aguas por níquel y cromo hexavalente. ............................................ 9

1.2. Métodos tradicionales de remoción de metales ................................................................... 13

1.2.1. Precipitación química. ...................................................................................................... 13

1.2.2. Intercambio iónico. ........................................................................................................... 14

1.2.3. Ósmosis inversa.. .............................................................................................................. 14

1.2.4. Floculación y coagulación. .............................................................................................. 15

1.2.5. Tratamientos electroquímicos.. ......................................................................................... 16

1.3. Adsorción ............................................................................................................................ 16

1.3.1. Biosorción.. ....................................................................................................................... 17

1.3.1.1. Mecanismo de la biosorción. ......................................................................................... 17

1.3.1.2. Isotermas de biosorción.. .............................................................................................. 18

1.3.1.2.1. Isoterma de Langmuir. ................................................................................................ 18

1.3.1.2.2. Isoterma de Freundlich. .............................................................................................. 19

1.3.1.3. Factores que afectan la biosorción. .............................................................................. 19

vii

1.4. Quitosano ............................................................................................................................. 21

1.4.1. Características del quitosano ........................................................................................... 21

1.4.2. Obtención del quitosano ................................................................................................... 22

1.4.2.1. Fuentes de obtención del quitosano.. ............................................................................ 22

1.4.2.2. Obtención de quitosano. ................................................................................................ 23

1.4.3. Aplicaciones del quitosano. .............................................................................................. 25

2. MARCO EXPERIMENTAL ................................................................................................... 26

2.1. Proceso experimental........................................................................................................... 26

2.2. Diseño experimental ............................................................................................................. 27

2.2.1. Descripción del proceso de obtención del quitosano ....................................................... 27

2.2.2. Biosorción. ........................................................................................................................ 27

2.2.3. Isotermas de biosorción .................................................................................................... 30

2.3. Materiales y equipos ............................................................................................................ 30

2.4. Sustancias y reactivos .......................................................................................................... 31

2.5. Procedimiento ...................................................................................................................... 31

2.5.1. Obtención de quitosano (biosorbente). ............................................................................. 31

2.5.1.1. Materia prima. ............................................................................................................... 31

2.5.1.2. Secado y molienda. ......................................................................................................... 32

2.5.1.3. Desmineralización. ......................................................................................................... 32

2.5.1.4. Desacetilación . .............................................................................................................. 32

2.5.2. Caracterización del quitosano.. ........................................................................................ 32

2.5.3. Preparación de soluciones ............................................................................................... 33

2.5.3.1. Solución de cromo hexavalente. ..................................................................................... 33

2.5.3.2. Solución de níquel. ......................................................................................................... 33

2.5.4. Biosorción de cromo hexavalente con quitosano .............................................................. 33

2.5.5. Biosorción de níquel con quitosano .................................................................................. 33

2.5.6. Isoterma de biosorción ...................................................................................................... 34

2.5.6.1. Cromo hexavalente ......................................................................................................... 34

2.5.6.2. Níquel ............................................................................................................................. 34

3. DATOS EXPERIMENTALES ............................................................................................... 36

3.1. Caracterización del quitosano .............................................................................................. 36

3.2. Biosorción ............................................................................................................................ 36

3.2.1. Biosorción de cromo hexavalente ..................................................................................... 36

3.2.2. Biosorción de níquel.......................................................................................................... 38

3.3. Isotermas de biosorción ........................................................................................................ 39

viii

3.3.1. Isoterma de biosorción de cromo hexavalente. ................................................................. 39

3.3.2. Isoterma de biosorción de níquel. .................................................................................... 39

4. CÁLCULOS ............................................................................................................................ 40

4.1. Rendimiento y grado de desacetilación del quitosano ......................................................... 40

4.1.1. Rendimiento del quitosano ................................................................................................ 40

4.1.2. Grado de desacetilación ................................................................................................... 40

4.2. Eficiencia de biosorción ...................................................................................................... 41

4.2.1. Cálculo modelo eficiencia de biosorción para cromo hexavalente a bajas s

concentraciones n=1 (réplica 1) ................................................................................................. 41

4.2.2. Cálculo modelo para la cantidad removida de cromo hexavalente bajas s

concentraciones n=1 (réplica 1) ................................................................................................. 42

4.2.3. Análisis estadístico. ........................................................................................................... 42

4.2.3.1. Cálculo modelo para la ANOVA de dos factores. ......................................................... 42

4.2.3.2. Condiciones óptimas de biosorción.. ............................................................................. 44

4.3. Isotermas de biosorción ....................................................................................................... 46

4.3.1. Isoterma de cromo hexavalente ......................................................................................... 46

4.3.1.1. Cálculo de la cantidad de soluto adsorbido por gramo de biosorbente para cromo o

hexavalente .................................................................................................................................. 46

4.3.1.2. Modelado de Langmuir para cromo hexavalente.......................................................... 46

4.3.1.3. Modelado de Freundlich para cromo hexavanlente ..................................................... 48

4.3.2. Isoterma de níquel ............................................................................................................. 50

4.3.2.1. Cálculo de la cantidad de soluto adsorbido por gramo de biosorbente para níquel ..... 50

4.3.2.2. Modelado de Langmuir para níquel. ............................................................................. 50

4.3.2.3. Modelado de Freundlich para níquel.. .......................................................................... 52

4.4. Estimación de costos ............................................................................................................ 54

4.4.1. Costo del quitosano elaborado en laboratorio. ................................................................ 54

4.4.2. Comparación de costos entre un método tradicional y el propuesto en función de la a

materia prima…………………………… .................................................................................. 56

5. RESULTADOS ....................................................................................................................... 57

5.1. Rendimiento y grado de desacetilación del quitosano ......................................................... 57

5.2. Eficiencia de biosorción ...................................................................................................... 57

5.2.1. Eficiencia en la biosorción de cromo hexavalente. ........................................................... 57

5.2.2. Eficiencia en la biosorción de níquel. ............................................................................... 59

5.2.3. Análisis estadístico ........................................................................................................... 61

5.2.3.1. Análisis estadístico biosorción de cromo hexavalente. .................................................. 61

ix

5.2.3.2. Análisis estadístico biosorción de níquel. ..................................................................... 64

5.2.3.2. Condiciones óptimas de biosorción. .............................................................................. 67

5.2.4. Isotermas de biosorción ................................................................................................... 69

6. DISCUSIÓN ........................................................................................................................... 71

6.1. Quitosano ............................................................................................................................. 71

6.2. Estudio de biosorción ........................................................................................................... 71

6.2.1. Biosorción de cromo hexavalente.. ................................................................................... 71

6.2.2. Biosorción de níquel.......................................................................................................... 73

6.2.3. Condiciones óptimas. ....................................................................................................... 74

6.3. Isotermas de biosorción ....................................................................................................... 74

7. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 76

8. RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 77

CITAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................................... 78

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 82

ANEXO ...................................................................................................................................... 85

x

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Efectos de los usos del agua en su calidad ...................................................................... 3

Tabla 2. Enfermedades producidas por deficiencia o toxicidad de algunos metales .................... 4

Tabla 3. Generación de metales pesados según los sectores productivos ..................................... 5

Tabla 4. Contenido típico de metales en aguas residuales municipales con contribuciones s

menores de aguas residuales industriales .................................................................................... 12

Tabla 5. Composición química de los exoesqueletos de los camarones ..................................... 23

Tabla 6. Parámetros fijos definidos para la experimentación...................................................... 26

Tabla 7. Resumen de los factores con sus respectivos niveles .................................................... 27

Tabla 8. Tamaño de partícula del quitosano............................................................................... 36

Tabla 9. Longitud de onda- transmitancia del espectro del quitosano ....................................... 36

Tabla 10. Datos biosorción de cromo hexavalente a altas concentraciones ................................ 36

Tabla 11. Datos biosorción de cromo hexavalente a bajas concentraciones ............................... 37

Tabla 12. Datos biosorción de níquel a altas concentraciones .................................................... 38

Tabla 13. Datos biosorción de níquel a bajas concentraciones ................................................... 38

Tabla 14. Datos isoterma de biosorción de cromo hexavalente .................................................. 39

Tabla 15. Datos isoterma de biosorción de níquel ...................................................................... 39

Tabla 16. Codificación de los factores para el diseño estadístico ............................................... 42

Tabla 17. ANOVA para diseño estadístico factorial 3k ............................................................... 44

Tabla 18. Cálculos de la cantidad adsorbida de Cr 6+

por gramo de quitosano ........................... 46

Tabla 19. Datos para la isoterma de Langmuir para cromo hexavalente .................................... 47

Tabla 20. Datos para la isoterma de Freundlich para cromo hexavalente ................................... 48

Tabla 21. Cálculos cantidad adsorbida de Ni2+

por gramo de quitosano..................................... 50

Tabla 22. Datos para la isoterma de Langmuir para níquel ......................................................... 51

Tabla 23. Datos para la isoterma de Freundlich para níquel ....................................................... 52

Tabla 24. Costos de los materiales directos para la obtención de quitosano en laboratorio ....... 54

Tabla 25. Costos de mano de obra directa para obtención del quitosano en laboratorio ............ 55

Tabla 26. Costos generales de fabricación en laboratorio ........................................................... 55

Tabla 27. Costos de obtención del quitosano en laboratorio ....................................................... 55

Tabla 28. Estimación de costos del método propuesto ............................................................... 56

xi

Tabla 29. Estimación de costos del método tradicional .............................................................. 56

Tabla 30. Rendimiento y grado de desacetilación del quitosano ................................................ 57

Tabla 31. Resultados eficiencia de la biosorción de Cr6+

a altas concentraciones (réplica 1) ..... 57




a bajas concentraciones (réplica 1) .... 58


a bajas concentraciones (réplica2) ..... 59

Tabla 35. Resultados eficiencia de la biosorción de Ni2+








Tabla 39. ANOVA biosorción de cromo hexavalente a altas concentraciones ........................... 62

Tabla 40. ANOVA biosorción de cromo hexavalente a bajas concentraciones .......................... 63

Tabla 41. ANOVA biosorción de níquel a altas concentraciones ............................................... 65

Tabla 42. ANOVA biosorción de níquel a bajas concentraciones .............................................. 66

Tabla 43. Resultados condiciones óptimas para cromo hexavalente altas concentraciones ....... 68

Tabla 44. Resultados condiciones óptimas para cromo hexavalente bajas concentraciones ....... 68

Tabla 45. Resultados condiciones óptimas para níquel bajas concentraciones ........................... 69

Tabla 46. Resultados condiciones óptimas para níquel bajas concentraciones ........................... 69

Tabla 47. Resultados isoterma cromo hexavalente ..................................................................... 69

Tabla 48. Resultados isoterma níquel ......................................................................................... 70

xii

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Estructura química del quitosano ................................................................................. 21

Figura 2. Diagrama de flujo de obtención de quitosano por método directo .............................. 24

Figura 3. Diagrama de flujo de obtención experimental de quitosano ........................................ 27

Figura 4. Diagrama de flujo biosorción de cromo hexavalente................................................... 28

Figura 5. Diagrama de flujo biosorción de níquel ....................................................................... 29

Figura 6. Diagrama de flujo estudio de equilibrio....................................................................... 30

Figura 7. Cálculos en STATGRAPHICS .................................................................................... 45

xiii

LISTA DE GRÁFICOS

pág.

Gráfico 1. Metales pesados en descargas industriales al alcantarillado ...................................... 10

Gráfico 2. Metales pesados en descargas industriales a cauces de agua ..................................... 11

Gráfico 3. Modelo linealizado de Langmuir para cromo hexavalente ........................................ 47

Gráfico 4. Modelo linealizado de Freundlich para cromo hexavalente ....................................... 49

Gráfico 5. Modelo linealizado de Langmuir para níquel ............................................................ 51

Gráfico 6. Modelo linealizado de Freundlich para níquel ........................................................... 53

Gráfico 7. Efectos principales para concentración final cromo a altas concentraciones ............. 63

Gráfico 8. Efectos principales para concentración final cromo a altas concentraciones ............. 64

Gráfico 9. Efectos principales para concentración final níquel a altas concentraciones ............ 65

Gráfico 10. Interacción AB para concentración final níquel a altas concentraciones ................. 66

Gráfico 11. Efectos principales para concentración final níquel a bajas concentraciones ......... 67

Gráfico 12. Condiciones óptimas para cromo hexavalente altas concentraciones ...................... 67

Gráfico 13. Condiciones óptimas para cromo hexavalente bajas concentraciones ..................... 68

Gráfico 14. Condiciones óptimas para níquel bajas concentraciones ......................................... 68

Gráfico 15. Condiciones óptimas para níquel bajas concentraciones ......................................... 69

xiv

LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. Obtención de quitosano por método directo ............................................................... 86

Anexo B. Caracterización del quitosano por FTIR ..................................................................... 89

Anexo C. Biosorción de cromo hexavalente y níquel con quitosano .......................................... 90

Anexo D. Isoterma de biosorción de cromo hexavalente y níquel .............................................. 91

Anexo E. Espectrofotómetro de absorción atómica .................................................................... 92

xv


QUITOSANO

RESUMEN

Estudio en nivel de laboratorio de la biosorción de cromo hexavalente y níquel de aguas

contaminadas, utilizando quitosano obtenido de las cáscaras de camarón mediante el método

directo.

Se prepararon soluciones acuosas a concentraciones altas y bajas para cromo hexavalente: 500

y 5 mg/L; y para níquel: 50 y 3 mg/L. Se evaluó la biosorción en función de las variables,

cantidad de quitosano: 1, 3 y 5 g y tiempo de residencia: 30, 60 y 90 min. Para obtener las

isotermas de biosorción, se mantuvo constante la cantidad de biosorbente y se varió la

concentración de cada metal. Los dos procesos experimentales se realizaron a volumen

constante, temperatura ambiente, pH 7 y agitación constante de 300 rpm.

Se realizó un análisis estadístico de varianzas que determinó que la cantidad de quitosano fue la

variable más influyente del proceso, el cual fue más efectivo en la remoción de níquel que en la

de cromo hexavalente.

La biosorción se ajustó al modelo de Langmuir, mediante el cual se determinó que la capacidad

máxima de biosorción para el níquel fue de 108,696 mg Ni2+

/g quitosano y para el cromo

hexavalente de 49,019 mg Cr6+

/g quitosano.

PALABRAS CLAVE: /CONTAMINACIÓN DEL AGUA/BIOSORCIÓN/ QUITOSANO

/NÍQUEL/CROMO HEXAVALENTE/ TRATAMIENTO DEL AGUA/MODELO DE

LANGMUIR/

xvi

BIOSORPTION OF CHROME AND NICKEL IN POLLUTED WATERS USING

CHITOSAN

ABSTRACT

Study at laboratory level of biosorption of hexavalent chrome and nickel of polluted waters,

using chitosan obtained from shrimp shell through the direct method.

Aqueous solutions were prepared to high and low concentration for hexavalent chrome: 500 and

5 mg/L; and for nickel: 50 and 3 mg/L. The biosorption was evaluated in function of variables,

quantity of chitosan: 1, 3 and 5 g and time of residence: 30, 60 y 90 min. In order to obtain

isotherms of biosorption, the quantity of biosorbent remained constant and concentration of

every metal varied. The two experimental processes were carried at constant volume, room

temperature, pH 7 and agitation 300 rpm.

A statistical analysis of variances took place, which determined that the quantity of chitosan was

the most influential variable of the process that was more effective in removal of nickel than in

removal of hexavalent chrome.

The biosorption was adjusted to the Langmuir model, by means of which, it was determined that

the maximum capacity of biosorption for nickel was of 108,696 mg Ni2+

/g chitosan and for

hexavalent chrome 49,019 mg Cr6+

/g chitosan.

KEY WORDS: /POLLUTION OF WATER/ BIOSORPTION/ CHITOSAN/ NICKEL/

HEXAVALENT CHROME/ WATER TREATMENT/ LANGMUIR MODEL/

1

INTRODUCCIÓN

La contaminación de agua es altamente investigada debido a que es el recurso natural más

importante del planeta. La alteración de su composición por sustancias ajenas a ella hacen que

sea peligrosa para la salud humana, fauna y flora.

Son muchas las actividades que conducen a la generación de residuos líquidos peligrosos,

siendo el más destacado el sector industrial, ya que produce una gran cantidad de residuos

tóxicos que contienen metales pesados en sus desechos como cromo, aluminio, níquel, zinc,

hierro, cadmio, etc. Los metales pesados ejercen efectos biológicos que pueden ser

perjudiciales para distintos organismos, no son biodegradables y tienden a acumularse en los

organismos, causando numerosas enfermedades.

El cromo y níquel cuando exceden sus concentraciones establecidas dentro de los parámetros

legales, representan un gran riesgo para el equilibrio ambiental y la salud humana.

El cromo es un metal presente en la naturaleza, que se encuentra en forma natural en estado

trivalente (Cr3+

), el cual tiene baja toxicidad y no representa peligro alguno en el ambiente. Sin

embargo, el cromo puede estar presente como contaminante en su máxima oxidación (Cr6+

),

estado en el cual se convierte en tóxico. El excesivo uso de cromo en actividades industriales,

como galvanoplastia, curtido de cuero, producción de textiles, combustión de combustibles

fósiles (gas natural, petróleo y carbón), madera y papel, etc., provoca que sea liberado al aire,

agua y suelo. La exposición a este metal pesado es peligrosa ya que es considerado cancerígeno

y puede causar daños al sistema digestivo, urinario, hepático y tegumentario.

El níquel está presente en el ambiente de forma natural, siendo esencial en pequeñas cantidades

para plantas, animales e incluso el hombre, sin embargo, cuando excede sus concentraciones

normales llega a ser un contaminante de alta toxicidad que puede traer riesgo en la salud como

náuseas, dermatitis e incluso cáncer; esto sucede por la utilización creciente de este metal en

actividades industriales, como industrias químicas, galvanoplastia, pintura, cerámica,

petroquímica etc.

2

Debido a las estrictas normas ambientales, la remoción de metales pesados se realiza mediante

métodos tradicionales como son: precipitación química, intercambio iónico, ósmosis inversa,

etc.; siendo técnicas efectivas, sin embargo, son muy costosas, razón por la cual, la biosorción

con quitosano es una alternativa novedosa, eficiente y que podría llegar a ser mucho más

económica.

Por otro lado, el Ecuador es uno de los principales productores y exportadores mundiales de

camarón, se estima que por cada 100 libras de camarón se generan entre el 30% a 40% de

desperdicios, entre colas, cáscaras y cabezas (Salas, 2011, p. 18), deduciendo así que el país

cuenta con la materia prima para producir quitosano.

Se propone evaluar al quitosano (obtenido de las cáscaras de camarón por desacetilación de la

quitina), como biosorbente en la remoción de cromo hexavalente y níquel, a partir de soluciones

acuosas. En diversas investigaciones, se ha comprobado que el quitosano es un excelente

biosorbente de metales pesados.

En este trabajo, se obtuvo el quitosano a partir de las cáscaras de camarón provenientes de los

desechos de ventas de mariscos. Las cáscaras de camarón fueron lavadas, secadas, molidas,

desmineralizadas y sometidas a un proceso de desacetilación para la obtención de quitosano,

obteniendo un rendimiento del 29,86%.

El estudio de biosorción se realizó mediante un proceso discontinuo a volumen constante,

temperatura ambiente, a concentraciones conocidas de cada metal, se evaluó en función de la

cantidad de biosorbente y el tiempo de contacto metal-biosorbente. Las concentraciones fueron

elegidas mediante un estudio bibliográfico de descargas industriales de estos contaminantes y se

estableció que era importante determinar cómo actúa el biosorbente con concentraciones altas y

bajas de los metales de estudio.

La calidad del biosorbente está determinada por la cantidad de adsorbato (metal) que puede

atraer y retener. Para conocer la cantidad máxima de adsorción se han desarrollado varios

modelos, los más comunes: Langmuir y Freundlich; los cuales consisten en graficar las

concentraciones del soluto retenido en la fase sólida en función de las concentraciones del

soluto en la fase líquida o concentración en equilibrio. Este estudio se realizó manteniendo

constante la cantidad de quitosano, el pH y la temperatura.

3

1. MARCO TEÓRICO

1.1. Problemática ambiental

En el Ecuador, como en todos los países rápidamente urbanizados, la contaminación ambiental

ha provocado la disminución de la calidad de muchos recursos naturales.

El agua es uno de los recursos naturales más importantes del planeta, y la preocupación por el

deterioro de su calidad es de interés desde el punto de vista de salud pública, calidad de vida y

salud de ecosistemas.

El agua al ser utilizada regresa a diferentes cuerpos de agua, con lo que inevitablemente su

calidad se degrada. Las fuentes de deterioro de calidad de agua son principalmente por origen

doméstico y actividades industriales. En la tabla 1 se muestra los efectos de los usos del agua en

su calidad.

Tabla 1. Efectos de los usos del agua en su calidad

Usos del agua Efectos de calidad del agua

Doméstico/Industrial Disminución de Oxígeno disuelto

Industria/ Minería Disminución de Oxígeno disuelto, contaminación de agua por

metales y compuestos orgánicos; drenaje ácido de minas

Termoeléctrico Incremento de Temperatura del agua

Irrigación/ Residuos

Animales

Salinización del agua superficial y agua subterránea, disminución

de oxígeno disuelto.

FUENTE: SPIRO, Thomas y STIGLIANI, William. Química Medioambiental. Contaminación

del agua y procesos de tratamiento. Segunda edición. 2004, p. 339.

4

1.1.1. Contaminación del agua por metales pesados. Los metales pesados se caracterizan por

tener una densidad mayor a 5 g/ml, no son biodegradables y algunos de ellos son altamente

tóxicos incluso a concentraciones bajas. Además tienen la propiedad de bioacumulación, lo que

hace que sus efectos persistan en el tiempo. No obstante en pequeñas cantidades es decir trazas,

algunos metales como hierro, cobre, zinc, cobalto, cromo, manganeso, selenio, níquel, etc.,

tienen un papel importante en la vida de muchos organismos y en el ser humano.

Por ejemplo, metales como B, Cu, Fe, Zn, Mn y Mo son micronutrientes para platas, y otros

como As, Co, Cr, Ni, Se y V intervienen en la nutrición animal.

La tabla 2 muestra los efectos producidos en el ser humano por deficiencias y por dosis

excesivas de algunos metales.

Tabla 2. Enfermedades producidas por deficiencia o toxicidad de algunos metales

Elemento Deficiencia Toxicidad

Hierro Anemia Hemocromatosis

Zinc

Enanismo

Crecimiento retardado de las gónadas

Acrodermatitis enteropática

Fiebre metálica

Diarrea

Cobalto Anemia

"Enfermedad del hígado blanco"

Fallas cardíacas

Poliotemia

Magnesio

Disfunción de las gónadas

Convulsiones

Malformaciones del esqueleto

"Enfermedad del músculo blanco"

Ataxia

Cromo Trastornos en el metabolismo de la glucosa Daños en el riñón

(Nefritis)

Níquel Intolerancia a la glucosa, ataques cardiacos, tensión

arterial

Asma, bronquitis

crónica

Daño a los riñones

FUENTE: HIGUERAS, Pablo. Minerales, metales, compuestos químicos y seres vivos: una

difícil pero inevitable convivencia. [En línea] 2004. [Fecha de consulta: 20 de mayo del 2015].

Disponible en: <http://www.uclm.es/users/higueras/mam/MAM7.htm>

Los metales pesados se incorporan al agua principalmente por actividades industriales, pero

también se puede atribuir a actividades domésticas.

5

Las actividades industriales han generado problemas de contaminación por metales pesados, por

medio de descargas de residuos líquidos. La tabla 3 indica las actividades que generan

contaminación de metales pesados en aguas.

Tabla 3. Generación de metales pesados según los sectores productivos

Descripción de la actividad Metales pesados

Cultivo de café. Cultivo de flores incluida la producción de

flores cortadas y capullos. Cd, Pb

Cultivo de bananos y plátanos. Ba, Cd, Fe, Pb

Cultivo de caña de azúcar, cereales, granos, semillas,

legumbres, hortalizas, melones, tubérculos, frutas tropicales

y subtropicales.

Cd, Pb

Silvicultura y otras actividades forestales. Extracción de

madera. B

Extracción de carbón de piedra, lignito, turba. As, Ba, Cd, Ca, Cr, Cu, Sn,

Hg, Pb, Se

Extracción de petróleo crudo, gas natural. Actividades de

apoyo para la extracción de petróleo y gas natural. As, Ba, Cd, Cr, Hg, Pb, Se, V

Extracción de minerales de hierro. Al, As, Cd, Ca, Cu, Cr, Fe,

Mn, Hg, Mo, Ni, Pb, Zn

Extracción de metales preciosos (oro, plata, platino). Al, As, Cd, Ca, Cu, Cr, Fe,


Extracción y preparación de minerales estimados

principalmente por su contenido de metales no ferrosos:

aluminio (bauxita), cobre, plomo, zinc, estaño, manganeso,

cromo, níquel, cobalto, molibdeno, tántalo, vanadio, etc.

Al, As, Cd, Ca, Cu, Cr, Fe,


Extracción de métales para la fabricación de minerales para

la fabricación de abonos y productos químicos. Hg

Explotación de otras minas y canteras Hg

Preparación de fibras textiles, tejedura de productos textiles,

acabado de productos textiles.

Ba, Cd, Cu, Cr, Fe, Hg, Ni,

Pb, Se, V, Zn

Fabricación de tapices y alfombras. Ba, Cd, Cu, Cr, Fe, Hg, Ni,

Pb, Se, V, Zn

Fabricación de cuerda, cordeles, bramantes y redes. Ba, Cd, Cu, Cr, Fe, Hg, Ni,

Pb, Se, V, Zn

Curtido y adobo de cueros. Fabricación de artículos de piel. Cr

6

Continuación Tabla 3.


Fabricación de pasta de madera, papel y cartón. Fabricación

de papel y cartón ondulado y de envases de papel y cartón. Ba, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni. Zn

Actividades y servicios de impresión. As, Cd, Cr, Hg, Ag, Pb

Fabricación de productos de horno de coque. As, Cd, Cu, Fe, Hg, Ni, Pb,

Zn

Fabricación de productos de refinación de petróleo. As, Cd, Cu, Cr, Hg, Se, Zn

Fabricación de sustancias básicas. As, Cd, Co, Cr, Hg, Ni, Pb,

Se, Na, Zn

Fabricación de abonos y compuestos de nitrógeno. As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Zn

Fabricación de plástico y cauchos sintéticos en formas

primarias. Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn

Fabricación de plaguicidas y otros productos químicos de

uso agropecuario.

As, Ba, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni,

Se, Zn

Fabricación de pinturas, barnices y productos de

revestimiento similares. Tinta de imprenta y masillas.

Ba, Cd, Co, Cu, Cr, Hg, Ni,

Pb, Zn

Fabricación de productos farmacéuticos, sustancias

químicas, medicinales y productos botánicos de uso

farmacéutico.

As, Cd, Cu, Cr, Hg, Zn

Fabricación de jabones y detergentes. Preparados para

limpiar y pulir, perfumes y preparados de tocados. Zn

Fabricación de fibras artificiales. As, Cd, Cu, Cr, Fe, Hg, Ni,

Pb, Zn

Fabricación de cubiertas y cámaras de caucho.

Recauchatado y renovación de cubiertas de caucho y

fabricación de otros productos de caucho.

Ba, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb,

Zn

Fabricación de productos de plástico. Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn

Fabricación de vidrio y productos de vidrio. Al, As, Ba, Cd, Cu, Cr, Pb,

Ni, Zn

Fabricación de materiales de construcción de arcilla no

refractaria.

Al, As, Ba, Cd, Cu, Cr, Pb,

Ni, Zn

Fabricación de cal y yeso. Al, As, Ba, Cd, Cu, Cr, Pb,

Ni, Zn

Fabricación de artículos de hormigón, cemento y yeso. Al, As, Ba, Cd, Cu, Cr, Pb,

Ni, Zn

7



Industria básica de hierro y acero. Fabricación de metales

preciosos y metales no ferrosos. Fundición de hierro y acero.

Fabricación de productos metálicos para uso estructural.

Fabricación de tanques, depósitos y recipientes de metal.

Tratamiento y revestimiento de metales. Fabricación de

artículos de cuchillería.

Al, As, Cd, Cu, Cr, Fe, Ni,

Ag, Pb, Zn

Fabricación de motores y turbinas. Excepto motores para

aeronaves, vehículos automotores y motocicletas. Cd, Cu Cr, Sn, Hg, Ni, Pb, Zn

Fabricación de bombas y compresores. Cd, Cu Cr, Sn, Hg, Ni, Pb, Zn

Fabricación de hornos y quemadores. Cd, Cu Cr, Sn, Hg, Ni, Pb, Zn

Fabricación de maquinaria agropecuaria y forestal,

maquinaria metalúrgica, maquinaria para explotación de

minas y construcción, maquinaria para elaboración de

alimentos y bebidas, maquinaria para productos textiles.

Cd, Cu Cr, Sn, Hg, Ni, Pb, Zn

Fabricación de armas y municiones. Al, As, Cd, Cu, Cr, Sn, Hg,

Ni, Pb, Zn

Fabricación de equipos de oficina y computadoras. Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn

Fabricación de motores, generadores, transformadores

eléctricos. Fabricación de aparatos de distribución y control

de energía eléctrica. Fabricación de hilos y cables eléctricos.

Cd, Cu, Cr, Hg, Ni; Zn

Fabricación de pilas, baterías y acumuladores. Cd, Cu, Cr, Hg, Ni; Zn

Fabricación de aparatos electrónicos, equipos de

comunicaciones, tableros y componentes. Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Zn

Fabricación de vehículos automotores. Al, Cd, Cu, Cr, Fe, Hg, Ni,

Pb, Zn

Construcción de buques y estructuras flotantes. Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn

Fabricación de instrumentos musicales, artículos de deporte,

juegos y juguetes. Cd, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn

FUENTE: SECRETARIA DEL AMBIENTE. Ordenanza metropolitana No.404. Normas

técnicas de calidad ambiental, emisiones, descargas y vertidos para el DMQ. [En línea] 2014.

[Fecha de consulta: 21 de mayo del 2015]. Disponible en:

<http://www.quitoambiente.gob.ec/index.php?option=com_k2&view=item&id=133%3Aordena

nza-404&lang=es>

8

En cuanto a actividades domésticas, la incorporación de metales pesados al agua, puede ser por

la aparición de corrosión en sistemas de distribución de tuberías de casas antiguas, estas

tuberías viejas son hechas de plomo, cobre o hierro galvanizado.

En el caso de productos para el hogar, se muestran que algunos polvos de lavado y champús

medicados pueden tener concentraciones elevadas de cobre, zinc y cadmio, debido a los

ingredientes activos que poseen, como piritiona de zinc. Las heces son generadoras de metales

como Cd, Cr, Ni y Zn. [1]

1.1.1.1. Cromo. El cromo (Cr) es un metal de transición localizado en el grupo VI – B de la

tabla periódica, cuyas especies más estables y abundantes son: la trivalente, (Cr3+

) estado de

oxidación más estable y la hexavalente (Cr 6+

), agente de oxidación fuerte.

El cromo hexavalente se encuentra comúnmente como cromatos (CrO42-

) y dicromatos

(Cr2O72-

), mientras que el cromo trivalente se lo encuentra en forma de óxidos, hidróxidos o

sulfatos que son menos móviles y también existe unido a materia orgánica en el suelo y en

ambientes acuáticos. [2]

El cromo como contaminante se libera al aire, agua y suelo debido al gran uso de este metal en

actividades industriales. El cromo se utiliza fundamentalmente en:

Industria metalúrgica.

Manufacturación de acero inoxidable y aleaciones.

Cromado para la corrosión.

Industria química.

En catalizadores.

Pigmentos para plásticos.

Pinturas, barnices, tinta de imprenta.

Vidriado de porcelana.

Industria textil.

Encurtido de cuero.

Elaboración de anticorrosivos.

Industria refractaria. [3]

1.1.1.2. Níquel. El níquel es un elemento natural que en la tabla periódica se encuentra en el

grupo VIII-B. Ocupa el lugar 24 en la lista de elementos más abundantes. Es un metal de

9

transición de color blanco plateado, duro y buen conductor eléctrico y térmico. Sus formas

catiónicas más frecuentes son Ni+

y Ni2+

.

El níquel posee elevada ductilidad y maleabilidad, pudiendo laminarse, pulirse y forjarse

fácilmente. La forma divalente del níquel es la más abundante en la naturaleza y se encuentra

formando compuestos de diversos minerales tales como laterita, pentlandita y pirrotita. [4]

El níquel está presente en el ambiente de forma natural, siendo esencial en pequeñas cantidades

para plantas, animales e incluso el hombre, sin embargo, cuando excede sus concentraciones

normales llega a ser un contaminante de alta toxicidad. La contaminación por níquel está dada

por actividades industriales como:

Minería.

Industria química.

Termoeléctricas.

Industria de utensilios domésticos.

Industria productora de pinturas o pigmentos.

Industria de cerámica.

Industria de maquinaria.

Industria productora de acero inoxidable.

Industria metalúrgica no ferrosa.

Galvanoplastia.

Joyería.

Prótesis dental.

Petroquímicas.

Baterías. [5]

1.1.1.3. Contaminación de aguas por níquel y cromo hexavalente. El cromo hexavalente y

níquel cuando exceden sus concentraciones establecidas dentro de marcos legales representan

un gran riesgo para la salud humana, fauna y flora.

El agua es un recurso que debe ser preservado por lo que hoy en día existen entidades que

controlan que las actividades humanas no afecten la calidad del agua en forma agresiva. En el

Ecuador la norma nacional que establece los límites permisibles, disposiciones y prohibiciones

para descargas en cuerpos de agua o sistemas de alcantarillado es el TULAS (Texto Unificado

de Legislación Ambiental Secundaria). Adicionalmente, los gobiernos seccionales tienen la

10

potestad legal de emitir sus propias normas. Por ejemplo, en el Distrito Metropolitano de Quito

la entidad que se encarga de generar políticas que promuevan una cultura de buenas prácticas

ambientales dentro de la sociedad es la Secretaría del Ambiente, que establece actualmente la

norma denominada: Ordenanza Metropolitana No.404 (2014).

La Secretaría de Ambiente ha recopilado información referente a los valores de concentración

de metales pesados en diferentes tipos de industrias que se descargan al sistema de

alcantarillado y cauces de agua. Para el período 2014, se tiene:

Gráfico 1. Metales pesados en descargas industriales al alcantarillado

0,01,02,03,04,05,06,07,08,09,0

10,011,012,013,014,015,016,0

Cad

mio

Co

bre

Cro

mo

Cin

c

Co

balto

Hie

rro

Man

ganeso

Niq

uel

Plo

mo

Me

rcurio

Arsén

ico

Alu

min

io

con

c m

g/L

CONCENTRACIONES DE METALES PESADOS EN

DESCARGAS INDUSTRIALES AL ALCANTARILLADO

11

Gráfico 2. Metales pesados en descargas industriales a cauces de agua

Los gráficos 1 y 2, son promedios de concentraciones de diferentes sectores industriales, de los

cuales el cromo hexavalente (Cr6+

) y níquel (Ni2+

) exceden su valor máximo permisible para

descargas de aguas industriales a alcantarillados.

De acuerdo con la Secretaría del Ambiente del Distrito Metropolitano de Quito un sector

problemático es la industria textil aportando en sus descargas residuales concentración de cromo

hexavalente superior a 100 mg/L y de níquel superior a 50 mg/L.

Otras actividades industriales son generadoras de altas cantidades de metales pesados. Un

estudio en México sobre remoción de metales pesados con agentes químicos por Soto Eduardo

et al. (2004), indica que la concentración de níquel en aguas residuales en industrias galvánicas

es aproximadamente 27 mg/L.

De acuerdo con el estudio empleo de microalgas scenedesmus obliquus en la eliminación de

cromo presente en aguas residuales galvánicas por Pellón A. et al. (2002), explica que el alto

contenido de metales pesados como cromo en aguas residuales de la industria galvánica es un

peligro potencial para el medio ambiente, indicando que la concentración de cromo hexavalente

en estos vertidos es aproximadamente 343 mg/L.

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,05,56,06,57,0

Cad

mio

Co

bre

Cro

mo

Cin

c

Co

balto

Hie

rro

Man

ganeso

Niq

uel

Plo

mo

Me

rcurio

Arsén

ico

Alu

min

io

con

c m

g/L

CONCENTRACIONES DE METALES PESADOS EN

DESCARGAS INDUSTRIALES A CAUCES DE AGUA

12

El sector automotor también genera contaminación por metales pesados, el de mayor proporción

es níquel con una concentración de 3 mg/L, esto de acuerdo a un estudio en Colombia sobre

remoción de níquel y DQO presentes en las aguas residuales de la industria automotriz mediante

electrocoagulación por Mercado Iván et al. (2013).

La industria de curtiembre es altamente generadora de contaminación por cromo, aportando a

sus descargas residuales en un promedio de 160 mg/L de cromo hexavalente, esto según un

estudio realizado por Medina Milton sobre determinación de cromo hexavalente en aguas de

descarga de una curtiembre ubicada en Ambato en el 2010.

En cuanto a valores de concentraciones de metales de aguas residuales municipales

(domésticas), no existen datos tabulados por la autoridad pública, pero de acuerdo con la

bibliografía consultada, el contenido típico de metales en aguas residuales municipales con

contribuciones menores de aguas residuales industriales se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 4. Contenido típico de metales en aguas residuales municipales con contribuciones

menores de aguas residuales industriales

Metal Concentración alta

(mg/L)

Concentración media

(mg/L)

Concentración baja

(mg/L)

Aluminio 1000 600 350

Cadmio 4 2 1

Cromo 40 25 10

Cobre 100 70 30

Plomo 80 60 25

Mercurio 3 2 1

Níquel 40 25 10

Plata 10 7 3

Zinc 300 200 100

FUENTE: HENZE M. COMEAU Y. “Wastewater Characterization”. [En línea]. [Fecha de

consulta: 20 de mayo del 2015]. p. 36. Disponible: <http://ocw.unesco-

ihe.org/pluginfile.php/462/mod_resource/content/1/Urban_Drainage_and_Sewerage/5_Wet_We

ather_and_Dry_Weather_Flow_Characterisation/DWF_characterization/Notes/Wastewater%20

characterization.pdf>

13

1.2. Métodos tradicionales de remoción de metales

Debido a los graves problemas ambientales por metales pesados en cuerpos de agua,

ocasionados por diferentes actividades industriales, se han desarrollado métodos de remoción de

metales pesados con el fin de disminuir el impacto ambiental. Entre los de mayor utilización se

tiene:

Precipitación química.

Intercambio iónico.

Ósmosis inversa.

Floculación-coagulación.

Tratamientos electroquímicos.

1.2.1. Precipitación química. La precipitación es uno de los métodos más usados para reducir

significativamente la cantidad de metales pesados en disolución en las aguas residuales.

Consiste en la adición de ciertos reactivos químicos, agentes precipitantes, que al reaccionar con

la sustancia en cuestión forman un sólido insoluble llamado precipitado. El mecanismo que

tiene la precipitación química es:

1

Los metales pesados comúnmente precipitan en forma de hidróxidos en medio básico, siendo

los agentes precipitantes más utilizados la cal o el hidróxido de sodio que permiten ajustar el pH

a condiciones de basicidad.

El pH en el proceso de precipitación química es un parámetro importante que determina la

eficiencia de la técnica. El valor de pH más conveniente para la eliminación de metales pesados

está entre 9 y 12.

Este método es simple y no requiere equipos costosos, se lo realiza en un tanque agitado,

permite eliminar metales pesados de manera casi completa, con una eficiencia superior al 80 %

en función de la concentración, pudiendo operar con concentraciones superiores a 1000 mg/L.

Sin embargo esta técnica presenta varios inconvenientes: no ofrece un buen rendimiento a

concentraciones bajas; no es selectiva pudiendo precipitar compuestos no deseados; y genera

14

grandes cantidades de lodos con elevadas concentraciones de metales que deben ser sometidas a

otros tratamientos por ser residuos peligrosos. [6]

1.2.2. Intercambio iónico. El intercambio iónico es un proceso de separación de uno o algunos

de los iones de una disolución líquida, mediante un sólido con capacidad de intercambio de

ciertos iones con aquellos. [7]

El material de intercambio se conoce con el nombre de resina de intercambio iónico y pueden

ser naturales como los aluminosilicatos (zeolitas), o sintéticas a base de polímeros derivados del

petróleo como estirénicas, acrílicas, etc.

Dependiendo del tipo de ión que se desea remover, existen dos tipos de intercambio iónico:

catiónico y aniónico.

Para tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados, se utilizan resinas de intercambio

catiónico, las más utilizadas son aquellas que tienen grupos ácidos como los sulfónicos (R-

SO3H) o carboxílicos (R-COOH), ya que estos pueden intercambiar los hidrógenos por cationes

metálicos. El mecanismo del intercambio es el siguiente:

2

3

Mediante el intercambio iónico es posible conseguir una eficiencia para la eliminación de

metales pesados del 100% tratándose de resinas sintéticas y del 90% con zeolitas naturales. [8]

Este método permite la eliminación de metales pesados a elevadas concentraciones, una de las

ventajas que presenta es que es una técnica selectiva si se escoge adecuadamente la resina. Sin

embargo tiene un costo elevado ya que cuando la resina se agota tras cierto tiempo de

funcionamiento, se hace necesaria su regeneración. Por otro lado, tras la regeneración de las

resinas se genera un efluente con concentraciones elevadas de metales, que debe gestionarse

como residuo peligroso de no ser posible la recuperación de metales. [9]

1.2.3. Ósmosis inversa. Es un proceso en el cual el agua pasa a través de una membrana,

mientras que los minerales disueltos y otros sólidos se rechazan en el retenido. Esta tecnología

se basa en la aplicación de una presión sobre una disolución concentrada para forzar el paso de

la misma a través de unas membranas semipermeables. Es utilizada principalmente en la

15

desalinización, eliminación de contaminantes inorgánicos, eliminación de compuestos

orgánicos sintéticos y volátiles, patógenos y recuperación de aguas residuales.

Su efectividad se basa en la interacción membrana-solución y en la presión aplicada. Con este

método se puede trabajar en un rango de concentraciones de 20 mg/L a 200 mg/L, también

permite eliminar partículas de un tamaño entre 1 y 10 nm con una eficiencia de más del 90%.

[10]

La membrana utilizada en el proceso generalmente es de acetato de celulosa o de poliamidas

aromáticas, y debe tener la capacidad de soportar elevadas presiones. [11]

La adquisición de las membranas y el gran suministro de energía para poder bombear las

soluciones a través de la membrana, hace a este proceso costoso. Presenta además

inconvenientes como la obstrucción de membranas debido a la precipitación de sales minerales

y óxidos metálicos. Además para alargar la vida útil de la membrana es necesario un

pretratamiento del agua a tratar y realizar un mantenimiento periódico a la membrana. [12]

1.2.4. Floculación y coagulación. Este método es ampliamente utilizado para la eliminación de

metales pesados y consiste en la combinación de dos operaciones unitarias la coagulación y la

floculación.

El objetivo principal de la coagulación es desestabilizar las partículas coloidales. Es un proceso

de desestabilización química, que se produce al neutralizar las fuerzas que las mantienen

separadas, por medio de la adición de coagulantes químicos y la aplicación de energía de

mezclado. Los coagulantes más utilizados son el sulfato de aluminio, sulfato férrico, sulfato

ferroso, cloruro férrico o cal.

La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, y que consiste en la agitación de la

masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién

formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con

facilidad.

Este método permite tratar efluentes con concentraciones por debajo de 100 mg/L y por

superiores a 1000 mg/L.

Una de las limitaciones del proceso son el elevado coste operacional debido a la gran cantidad

de reactivos consumido y la producción de un gran volumen de lodos al igual que en la

precipitación química. [13]

16

1.2.5. Tratamientos electroquímicos. Los tratamientos electroquímicos utilizan la

transformación entre la energía eléctrica y la energía química. Son reacciones de oxidación-

reducción inducidas por la aplicación de energía eléctrica externa entre dos electrodos que se

encuentran inmersos en una disolución conductora.

Entre los métodos más comunes en remoción de metales se tiene:

Electrodiálisis: es una técnica de separación por membrana en la cual las especies iónicas en

disolución son transferidas de una solución diluida a una más concentrada pasando a través

de una membrana de intercambio iónico al aplicar un potencial eléctrico.

Electrocoagulación: Es un proceso en el cual son desestabilizadas las partículas de

contaminantes que se encuentran suspendidas, emulsionadas o disueltas en un medio acuoso,

induciendo corriente eléctrica en el agua a través de placas metálicas paralelas de diversos

materiales, siendo el hierro y aluminio los más utilizados. [14]

La ventaja de estos tratamientos es que el metal recuperado puede reutilizarse. En cuanto a

desventajas, presenta altos costos por su elevado consumo eléctrico, y no es una técnica

adecuada para concentraciones bajas de metales. [15]

1.3. Adsorción

La adsorción es una operación superficial que implica la transferencia de uno o varios

componentes de un fluido (gas o líquido), a un sólido de distinta naturaleza. En el caso de que la

fase fluida sea gaseosa, la adsorción será sólido-gas, mientras que cuando la fase fluida es

líquida, la adsorción será sólido-líquido. La fase fluida que se transfiere al sólido recibe el

nombre de adsorbato, mientras que el sólido que retiene los componentes de la fase fluida recibe

el nombre de adsorbente. [16]

La adsorción puede ser química o física la diferencia radica en que la fisisorción o adsorción

física la especia adsorbida (fisisorbida) mantiene su naturaleza química, por lo contrario, en la

adsorción química la especie adsorbida (quimisorbida) sufre una modificación, dando lugar a

una especie química diferente. [17]

17

1.3.1. Biosorción. La biosorción es el proceso por el cual un sólido de origen natural retiene en

su superficie sustancias o compuestos de diferente naturaleza química contenidas en una fase

líquida acuosa. Este incluye la fase sólida denominada biosorbente y la fase líquida en donde se

encuentran especies en disolución o suspensión que serán adsorbidas, denominado adsorbato.

La biosorción es un proceso similar a la adsorción, por lo que también es llamada bioadsorción,

la diferencia radica en el tipo de sólido a utilizar. Entre los biosorbentes estudiados de origen

natural, se incluyen biomasa microbiana, algas marinas, residuos industriales como

exoesqueletos de camarones de la industria alimenticia, residuos agrícolas como cáscaras de

frutos y semillas, entre otros materiales.

En la actualidad el cuidado y preservación del medio ambiente, han llevado a investigar formas

más eficientes y amigables en la remoción de contaminantes. La biosorción es una posible

opción, ya que el material biológico utilizado requiere un tratamiento mínimo y que se

encuentra abundantemente en la naturaleza o es un subproducto/residuo de algún tipo de

proceso.

Un tipo de aplicación importante de la biosorción es en la remoción de metales pesados, con

este proceso se puede secuestrar eficazmente metales disueltos de soluciones muy diluidas

complejas con alta eficiencia. [18]

Los biosorbentes disponen en su superficie de múltiples grupos funcionales que son los

responsables de ligar los iones metálicos y retenerlos, algunos de estos grupos son las amidas (-

NH2), carboxilos (-COO-), tioles (-SH), fosfatos (-PO4-2

) e hidroxilos (-OH). La capacidad de

adsorción de los biosorbentes y su afinidad con los distintos iones metálicos depende del tipo,

cantidad, afinidad y distribución de los grupos funcionales. [19]

1.3.1.1. Mecanismo de la biosorción. “La biosorción de metales es un proceso complejo

afectado por varios factores y por las combinaciones de diversos procesos que incluyen

interacciones electroestáticas, complejación, intercambio iónico, enlaces covalentes, fuerzas de

Van der Waals. La adsorción física se da debido a las fuerzas de atracción de Van der Waals,

mientras que la quimisorción es el resultado de los fuertes enlaces que se crean entre los grupos

funcionales del adsorbente y el adsorbato. Los mecanismos principales conocidos para la

adsorción de metales en los biosorbentes son la quelación, el intercambio iónico y la

complejación con los grupos funcionales.” [20]

18

1.3.1.2. Isotermas de biosorción. Los modelos de isotermas de biosorción predicen la capacidad

de un biosorbente para remover un contaminante presente en aguas residuales.

La biosorción se evalúa mediante isotermas que describen el equilibrio del proceso. Los

modelos de Langmuir y Freundlich han sido los más utilizados para describir con éxito la

capacidad de biosorción de metales. [21]

Las isotermas de biosorción se construyen relacionando la capacidad de adsorción del

biosorbente (qe), en función de la concentración del soluto en la fase líquida o concentración de

equilibrio(Ce), manteniendo constante otras variables involucradas, como pH, masa del

biosorbente, tiempo de contacto, temperatura etc.

En el equilibrio de la biosorción existe una proporción definida de soluto repartida entre las dos

fases, líquida y sólida.

(

) (1)

Donde:

qe = Concentración del metal en la fase sólida (mg/g).

Ci = Concentración del metal inicial (mg/L).

Ce = Concentración del metal remanente en la fase líquida (mg/L).

V = Volumen de la disolución (mL).

m = Cantidad de biosorbente (g). [22]

1.3.1.2.1. Isoterma de Langmuir. En 1918 Langmuir fue el primero en proponer una teoría

coherente de adsorción sobre una superficie plana desde un punto de vista cinético. El modelo

describe un proceso de adsorción que cumple ciertos postulados:

La superficie del adsorbente debe ser energética y geométricamente homogénea.

La adsorción se restringe a una monocapa con ausencia de interacciones laterales entre las

moléculas del adsorbato.

La adsorción sobre la superficie se produce únicamente sobre los centros activos.

Cada centro activo puede acumular solamente una molécula de adsorbato.

La ecuación modelo de Langmuir es:

19

(2)

La ecuación del modelo de Langmuir linealizado es:

(3)

Dónde:

qmax = Capacidad máxima de adsorción de soluto por unidad de masa del biosorbente (mg/g).

b = Constante de Langmuir relacionada con la energía de adsorción (L/mg). [23].

1.3.1.2.2. Isoterma de Freundlich. Fue desarrollado en 1906 como un modelo matemático

empírico para el estudio de los procesos de adsorción sólido-líquido. Describe la adsorción

heterogénea y explica que las posiciones de sorción tienen distintas afinidades, en primer lugar

se ocupan las posiciones de mayor afinidad y posteriormente se va ocupando el resto.

La ecuación modelo de Freundlich es:

(4)

La ecuación del modelo de Freundlich linealizado es:

(5)

Dónde:

kF = Constante de equilibrio que relaciona directamente la capacidad de adsorción del

biosorbente.

nF = Constante de afinidad entre el adsorbato y adsorbente que indica que entre mayor sea su

magnitud el sistema es más heterogéneo. [24].

1.3.1.3. Factores que afectan la biosorción. Entre los factores principales que se consideran

importantes en la biosorción se tiene:

20

Influencia del pH

El pH es un factor muy importante en la biosorción, depende de la naturaleza del metal si se

encuentra en forma aniónica o catiónica y de los compuestos y grupos funcionales que tiene el

biosorbente, así mientras 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.

Temperatura

En la biosorción se considera que la temperatura puede o no favorecer la adsorción. Sin

embargo, a nivel industrial se realiza a temperatura ambiente por razones técnicas y

económicas.

Tamaño de partícula

El tamaño de partícula del biosorbente es un parámetro con mayor influencia en la remoción de

metales, afecta tanto a la capacidad de adsorción como a la cinética de adsorción. La

disminución del tamaño de partícula hace que exista mayor número de centros activos

disponibles en el adsorbente, lo que aumenta la capacidad y eficiencia de la adsorción.

Tiempo de contacto

La cantidad de remoción de la especie de la fase fluida, dependerá también del tiempo de

contacto con el biosorbente, y este del equilibrio del sistema.

Cantidad de Biosorbente

La cantidad de biosorbente es el factor que va a limitar hasta cierto punto la concentración de

metal que se adsorbe, es decir a mayor cantidad de adsorbente, obtendremos una mayor

adsorción, pero lo ideal es llegar a una relación de equilibrio, entre la cantidad de adsorbente y

la concentración de metal, para un óptimo resultado de adsorción.

21

1.4. Quitosano

El quitosano es un polímero natural que se obtiene principalmente a partir de la quitina,

importante compuesto en los exoesqueletos de los artrópodos: crustáceos, insectos, arácnidos.

También se lo encuentra en forma natural en las paredes celulares de hongos.

Rouget en 1859 encontró que la quitina al ser tratada en una solución básica caliente, se

convierte en un producto soluble en ácidos inorgánicos, Esta “quitina modificada”, como él la

llamó, se tornaba de color violeta en soluciones diluidas de ioduro y ácido, mientras la quitina

era verde Posteriormente Hoppe-Seyler en 1894 basándose en los estudios de Rouget la

denominó quitosano. [25]

“El quitosano al ser principal derivado de la quitina, se obtiene industrialmente mediante

tratamiento de desacetilación químico o enzimático. Dependiendo de las condiciones de

reacción, se obtienen quitosanos de diferente peso molecular y grado de desacetilación, estas

variables los hacen útiles en diversas aplicaciones.” [26]

Químicamente el quitosano está constituido por largas moléculas de glucosamina y moléculas

de N-acetil-glucosamina.

FUENTE: ESTRADA Luna, Yadira. Obtención de quitosano a partir de quitina para su empleo

en conservación de frutillas y moras. Trabajo de grado. Ingeniera Química. Universidad Central

del Ecuador. Quito. 2012. p. 10.

Figura 1. Estructura química del quitosano

1.4.1. Características del quitosano

El quitosano es un sólido amorfo que al obtenerse de la desacetilación de quitina presenta

al menos 25 a 30 unidades menos de glucosamina. [27]

22

En el proceso de desacetilación la quitina pierde hasta un 50% de sus grupos acetilo (-

COCH3) en la conversión a quitosano. Lo que le da al quitosano característica de catión ya

que posee en su estructura una amina alifática primaria, que forma sales con ácidos y

origina polielectrolítos a pH menores de 6,5. [28]

“El porcentaje de grupos amino que quedan libres en la molécula de quitosano es lo que se

denomina grado de desacetilación y está estrechamente vinculado con su solubilidad.

Como consecuencia de la hidrolisis del grupo N-acetilo, aumenta la capacidad hidrofílica

del quitosano y pasa a ser soluble en soluciones ácidas diluidas (ácido acético, fórmico,

clorhídrico). Es insoluble en agua.

Algunas propiedades funcionales del quitosano son: biodegradabilidad, biocompatibilidad,

mucoadhesión, capacidad filmogénica, promotor de adsorción actividad antimicrobiana,

anticolesterolémica y antioxidante. ” [29]

1.4.2. Obtención del quitosano

1.4.2.1. Fuentes de obtención del quitosano. El quitosano se obtiene generalmente a partir de la

quitina, la cual está presente en una amplia gama de fuentes naturales, tales como crustáceos,

hongos, insectos, moluscos, etc. Sin embargo, el quitosano está fabricado a partir de crustáceos,

principalmente por los exoesqueletos disponibles como desecho en la elaboración de alimentos.

El Ecuador es uno de los principales productores y exportadores mundiales de camarón, ya que

el país cuenta con excelentes condiciones climatológicas y buena ubicación geográfica para el

desarrollo y producción.

La producción de camarón se ha desarrollado en cuatro provincias: Esmeraldas, El Oro, Manabí

y Guayas, la especie a más predomina en la producción es el camarón blanco penaeus

vannamei, y en un porcentaje mucho menor por el penaeus stylirostris.

Con la producción de camarón se desarrollan industrias como: laboratorios de larvas, fábricas de

alimento balanceado, plantas empacadoras, industria alimenticia y otras fábricas de insumos.

Los desechos generados por toda la industria camaronera es una amenaza para el medio

ambiente. Las cáscaras de camarón tienen baja biodegrabilidad es un componente perjudicial

para el ambiente, el cual puede ser reutilizado para el desarrollo de quitosano, así se contribuye

a disminuir la cantidad de desechos y crear un producto con útil con interesantes aplicaciones.

23

En el Ecuador por cada 100 libras de camarón se generan entre el 30 a 40% de desperdicios,

entre colas, cáscaras y cabezas. Deduciendo así que el país cuenta con la materia prima para

producir quitosano. [30]

En la Tabla 5. se indica la composición química de los exoesqueletos de los camarones.

Tabla 5. Composición química de los exoesqueletos de los camarones

Componente Porcentaje (%)

Quitina 17-32

Proteina 17-42

Pigmentos 1-14

Cenizas 41-46

FUENTE: SOTO, Luis. Estudio de obtención de quitosano a partir de caparazón de camarón

(Penaeus Vannamei) y su aplicación en una emulsion de aceite en agua. Guayaquil-Ecuador.

2007. p. 15.

1.4.2.2. Obtención de quitosano. El quitosano se obtiene químicamente por la desacetilación de

la quitina presente en los crustáceos, este proceso se lleva a cabo en un medio fuertemente

alcalino a elevadas temperaturas, lo que provoca la hidrólisis de los grupos acetamina. [31]

El quitosano con el que se realizará al biosorción de metales, se desarrollará siguiendo la

metodología de obtención de la investigación de Vanegas G (2014), quien aplicó el método

llamado método directo de obtención de quitosano, en el cual suprime la desproteinización de

las cáscaras de camarón con el objetivo de aplicar una sola exposición a hidróxido de sodio, que

es la desacetilación. [32]

En la obtención se sigue los siguientes pasos:

a. Acondicionamiento de la materia prima.

Consiste en el lavado con abundante agua para la eliminación de materia orgánica u otros

materiales extraños que estén adheridos a los exoesqueletos de camarón. Posteriormente se

procede a un secado, molienda y tamizado hasta que alcance el tamaño de partícula

adecuado.

24

b. Desmineralización.

Los crustáceos aproximadamente tienen del 30 al 55 % de contenido mineral,

principalmente carbonato de calcio y en menores proporciones fosfato de calcio, estas sales

deben ser eliminadas mediante un tratamiento químico con ácido a temperatura ambiente.

Luego de un tiempo específico de exposición de las cáscaras molidas con soluciones de

HCl, se procede a un lavado para eliminar exceso de ácido.

c. La desacetilación de la quitina, para obtener el quitosano.

La desacetilación puede ser homogénea o heterogénea. “La desacetilación homogénea

consiste en suspender la quitina en un medio alcalino que por lo general es el NaOH, la

suspensión es refrigerada con hielo para disolver la quitina en la solución. Luego se somete

a desacetilación a temperaturas cercanas a la del ambiente durante períodos largos de

tiempo, para asegurar la uniformidad de la reacción. La desacetilación heterogénea consiste

en que las moléculas de quitina son dispersadas en una solución alcalina caliente,

generalmente de hidróxido de sodio o de potasio, utilizando altas temperaturas (100 a 140

ºC) las cuales favorecen la velocidad de reacción.”[33]

A continuación el diagrama de flujo de la obtención de quitosano:

FUENTE: VANEGAS, Gabriela. Obtención de películas biodegradables a partir de mezclas de

quitosano de cáscaras de camarón y agentes plastificantes. 2014. p. 25

Figura 2. Diagrama de flujo de obtención de quitosano por método directo

25

1.4.3. Aplicaciones del quitosano. El quitosano en su estructura química tiene grupos activos

(amida, amino e hidroxilo), que le permiten fácilmente la modificación química o enzimática,

haciéndole un producto versátil y con amplia gama de aplicaciones. Entre las cuales se tiene:

Agricultura: En esta área puede ser utilizado para conservación de semillas mediante

recubrimientos con quitosano, como agente bactericida y fungicida para la protección de

plántulas (inicio de plantaciones), etc.

Medicina: El quitosano puede ser utilizado en la aceleración de la cicatrización de heridas,

además en el desarrollo de gasa y vendajes y cremas bactericidas para quemaduras.

Tratamiento de aguas: Es una de las áreas más importantes debido a que el quitosano es

ambientalmente amigable. El quitosano puede ser usado como coagulante primario en aguas

residuales con alta turbidez y alta alcalinidad, como floculante para la remoción de partículas

coloidales sólidas y aceites y captura metales pesados y pesticidas en soluciones acuosas.

Cosméticos: El quitosano puede ser usado en la fabricación de capsulas para adelgazar,

debido a su poder de retener grasas, también se lo desarrolla como aditivo bactericida en

jabones, cremas de afeitar, etc.

Alimentos: El quitosano es aplicado en el desarrollo de películas plásticas biodegradables

para la preservación de alimentos. [34]

26

2. MARCO EXPERIMENTAL

2.1. Proceso experimental

El quitosano se obtuvo de las cáscaras de camarón siguiendo el procedimiento con el que

trabajó Gabriela Vanegas en la investigación desarrollada en la Universidad Central en el 2014,

sobre la obtención de películas biodegradables a partir de mezclas de quitosano de cáscaras de

camarón y agentes plastificantes.

Se aplicó un proceso discontinuo a temperatura ambiente y volumen constante. La simulación

del agua contaminada se preparó en el laboratorio mediante la elaboración de soluciones con

sales solubles en agua de cada contaminante (Ni2+

y Cr6+

).

El estudio de biosorción se realizó a concentraciones altas y bajas de cada metal, variando la

cantidad de biosorbente y el tiempo de contacto metal-biosorbente. Las concentraciones fueron

elegidas mediante un estudio bibliográfico de descargas industriales de estos contaminantes.

Para la construcción de las isotermas de biosorción de cada metal, se prepararon soluciones a

diferentes concentraciones conocidas, manteniendo constante la cantidad de quitosano, pH y

temperatura y velocidad de agitación.

La determinación de las concentraciones finales de los contaminantes, se realizó en un

espectrofotómetro de absorción atómica.

En el estudio de biosorción, se mantuvieron constantes el pH y la temperatura, de acuerdo a las

condiciones ambientales a las que se encontraban la soluciones acuosas preparadas en el

laboratorio, además se seleccionó una velocidad de agitación moderada para un buen contacto

biosorbente- metal y para evitar la formación de vórtices.

Tabla 6. Parámetros fijos definidos para la experimentación

pH 7

Temperatura (°C) 20

RPM 300

27

2.2. Diseño experimental

2.2.1. Descripción del proceso de obtención del quitosano

Figura 3. Diagrama de flujo de obtención experimental de quitosano

2.2.2. Biosorción. Para el diseño experimental, se determinaron dos variables independientes o

factores (tiempo y cantidad de quitosano) y una variable dependiente o de respuesta

(concentración final del contaminante en el agua tratada). Se escogió el diseño factorial debido a

que se desea estudiar el efecto de los dos factores en la variable de respuesta, eligiendo tres

niveles para cada factor (bajo, medio y alto), se tiene un diseño factorial 3k = 3

2 , obteniéndose 9

tratamientos diferentes. Se realizará 2 réplicas, con un total de 18 corridas.

Tabla 7. Resumen de los factores con sus respectivos niveles

FACTOR UNIDADES NIVELES VARIABLE DE

RESPUESTA ALTO MEDIO BAJO

Cantidad de

quitosano g 1 3 5

Concentración final

del metal Tiempo de

contacto min 30 60 90

Recolección de materia prima

(cáscaras de camarón)

Lavado Secado

Molienda Desmineralización

(HCl) Desacetilación

(NaOH)

Quitosano Caracterización

FTIR

28

Tratamiento de agua

contaminada con

quitosano

Solución de

cromo

hexavalente (altas

concentraciones)

m1

t11

t13

t12

C11

C13

C12

t21

t23

t22

C21

C23

C22m2

m3

t31

t33

t32

C31

C33

C32

Solución de cromo

hexavalente(bajas

concentraciones)

m1

t11

t13

t12

C11

C13

C12

t21

t23

t22

C21

C23

C22m2

m3

t31

t33

t32

C31

C33

C32

Figura 4. Diagrama de flujo biosorción de cromo hexavalente

Donde:

m = Masa de quitosano

t = Tiempo de contacto

C = concentración final del metal en el agua

29

Tratamiento de agua

contaminada con

quitosano

Solución de

níquel (altas

concentraciones)

m1

t11

t13

t12

C11

C13

C12

t21

t23

t22

C21

C23

C22m2

m3

t31

t33

t32

C31

C33

C32

Solución níquel

(bajas

concentraciones)

m1

t11

t13

t12

C11

C13

C12

t21

t23

t22

C21

C23

C22m2

m3

t31

t33

t32

C31

C33

C32

Figura 5. Diagrama de flujo biosorción de níquel

Donde:

m = Masa de quitosano

t = Tiempo de contacto

C = concentración final del metal en el agua

30

2.2.3. Isotermas de biosorción

Isoterma de biosorción. Estudio de

equilibrio.

C1

C2

C3

C4

Ce1

Ce2

Ce3

Ce4

Figura 6. Diagrama de flujo estudio de equilibrio

Donde:

C = Concentración inicial del metal

Ce = Concentración en equilibrio

2.3. Materiales y equipos

Vasos de precipitación V = 600 mL V = 1000 mL

Erlenmeyer V = 100 mL

Probetas V = 100 mL Ap = ± 1 mL

V = 25 mL Ap = ± 0,2 mL

Pipetas graduadas V = 10 mL Ap = ± 0,1 mL

Balones aforados V = 100 mL

V = 1000 mL

Agitador de vidrio

Embudos de vidrio

Agitador magnético

Papel filtro

Papel para la medición de pH (cuantitativo)

Recipientes de plástico

Olla de metal

Fundas de plástico

Balanza analítica R (0-320) g Ap = ± 0,0001g

Balanza R (0-500) g Ap = ± 0,01g

31

Estufa

Reverbero

Molino ultracentrífugo Modelo Retsch ZM 200

Tamices: 0,08, 0,25, 1, 2 (mm)

Amplitud R (0-100)

Espectrofotómetro de absorción atómica Modelo Perkin Elmer AAnalyst 400

Gases: aire - acetileno

Espectrofotómetro FTIR Modelo spectrum two

2.4. Sustancias y reactivos

Ácido clorhídrico al 38% HCl(l)

Hidróxido de sodio NaOH(s)

Ácido nítrico al 68% HNO3(l)

Agua destilada H2O(l)

Dicromato de potasio K2Cr2O7(s)

Sulfato de níquel hexahidratado NiSO46H2O(s)

Solución estándar para absorción atómica de níquel (1000 mg/L)

Solución estándar para absorción atómica de cromo (1000 mg/L)

2.5. Procedimiento

2.5.1. Obtención de quitosano (biosorbente). Se aplicó el método directo de acuerdo con el

procedimiento especificado en el trabajo de la Ingeniera Gabriela Vanegas en la investigación

desarrollada en la Universidad Central en el 2014 sobre la obtención de películas

biodegradables a partir de mezclas de quitosano de cáscaras de camarón y agentes plastificantes,

en el cual se suprime la desproteinización de las cáscaras de camarón con el objetivo de realizar

la desacetilación a través de una sola exposición a hidróxido de sodio.

2.5.1.1. Materia prima. Las cáscaras de camarón se recolectaron en locales de venta de

mariscos en el mercado Santa Clara de Quito.

Las cáscaras de camarón se mantuvieron en congelación por un máximo 3 días para evitar su

descomposición y no afectar la obtención de quitosano.

32

Antes de proceder a la extracción de quitosano, el acondicionamiento de la materia prima es

esencial, se lavaron las cáscaras con abundante agua con el objetivo de eliminar restos de

cuerpos y patas.

2.5.1.2. Secado y molienda. Se secaron las cáscaras de camarón en una estufa a 90 °C por 10

horas. Una vez que las cáscaras estén libres de humedad; se molió hasta un tamaño de partícula

2 mm utilizando un molino ultracentrífugo.

2.5.1.3. Desmineralización. Se preparó una solución de ácido clorhídrico (2 M), para la

eliminación de sales de calcio presentes en las cáscaras de camarón.

Se trabajó con una relación de cáscaras de camarón/HCl (p/p) de 1/3 por 24 horas a una

temperatura de 20-22 °C.

Después de desmineralizar a las cáscaras de camarón se procedió al lavado, controlando que el

pH del agua de lavado sea 3. Se secaron las cáscaras desmineralizadas en la estufa a 50 °C por

6 horas, para eliminar totalmente la humedad.

2.5.1.4. Desacetilación .Se preparó una solución concentrada de hidróxido de sodio (NaOH),

de 50 g de NaOH por cada 100 ml de solución. Al producto obtenido de la desmineralización se

añadió la solución de hidróxido y se la llevó a calentamiento mediante un baño de glicerina, a

una temperatura de 100 °C por una hora con agitación constante.

La relación de cáscaras de camarón/solución de NaOH (p/p) fue de 1/7.

El quitosano obtenido se lavó con agua destilada hasta que el agua del lavado tenga un pH de

12,5-13. Finalmente se secó el quitosano en la estufa a 50°C por 10 horas para garantizar la

eliminación de la humedad. Y con un molino ultracentrífugo se molió hasta un tamaño de

partícula 1mm.

2.5.2. Caracterización del quitosano. Para saber el grado de desacetilación del quitosano

obtenido, se utilizó el espectrofotómetro infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR). Para la

lectura en el equipo, se preparó una pastilla de la muestra mezclando quitosano con bromuro de

potasio en relación 1:100.

33

2.5.3. Preparación de soluciones

2.5.3.1. Solución de cromo hexavalente. Utilizando la información de la teoría referente a

contaminación de aguas por níquel y cromo (ver literal 1.1.1.3), se determinaron las

concentraciones iniciales de trabajo: 500 mg/L de cromo hexavalente y 5 mg/L de cromo

hexavalente, luego de lo cual se pesó una cantidad de dicromato de potasio según la

concentración de cromo hexavalente requerida, y se prepararon soluciones con agua destilada a

un volumen de 1000 mL.

2.5.3.2. Solución de níquel. Utilizando la información de la teoría referente a contaminación de

aguas por níquel y cromo (ver literal 1.1.1.3), se determinaron las concentraciones iniciales de

trabajo: 50 mg/L de níquel y 3 mg/L de níquel, luego de lo cual se pesó una cantidad de sulfato

de níquel hexahidratado según la concentración de níquel requerida, y se prepararon soluciones

con agua destilada a un volumen de 1000 mL.

2.5.4. Biosorción de cromo hexavalente con quitosano

a. Colocar 500 mL de la solución preparada de dicromato de potasio con concentración de

500 mg/L de cromo hexavalente en un vaso de precipitación y agregar 1 g de quitosano.

Mantener en agitación constante a 300 rpm, valor en el cual no había formación de

vórtices, y el contacto entre el biosorbente y el metal era el adecuado

b. Tomar 100 mL de muestra de la solución expuesta a quitosano en tiempos de 30, 60 y 90

minutos.

c. Seguir el mismo procedimiento variando la cantidad de quitosano a 3 g y 5 g.

d. Filtrar las muestras para separar restos de quitosano y digestarlas con ácido nítrico.

e. Determinar las concentraciones residuales de cromo de las muestras mediante

espectrometría de absorción atómica.

f. Repetir este procedimiento para la solución de dicromato de potasio con concentración de 5

mg/L de cromo.

2.5.5. Biosorción de níquel con quitosano

g. Colocar 500 mL de la solución preparada de sulfato de níquel hexahidratado con

concentración de 50 mg/L de níquel en un vaso de precipitación y agregar 1 gramo de

34

quitosano. Mantener en agitación constante a 300 rpm, valor en el cual no había formación

de vórtices, y el contacto entre el biosorbente y el metal era el adecuado

a. Tomar 100 mL de muestra de la solución expuesta a quitosano en tiempos de 30, 60 y 90

minutos.

b. Seguir el mismo procedimiento variando la cantidad de quitosano a 3 g y 5 g.

c. Filtrar las muestras para separar restos de quitosano y digestarlas con ácido nítrico.

d. Determinar las concentraciones residuales de níquel de las muestras mediante


e. Repetir el procedimiento para la solución preparada de sulfato de níquel hexahidratado con

concentración de 3 mg/L de níquel.

2.5.6. Isoterma de biosorción

2.5.6.1. Cromo hexavalente

a. Preparar soluciones de 5, 50, 100 y 500 mg/L de cromo hexavalente.

b. Colocar 500 mL de cada solución en vasos de precipitación y agregar 3 g de quitosano a

cada una. Mantener en agitación constante a 300 rpm, para favorecer el contacto entre el

biosorbente y el metal, por tiempo de 6 horas tiempo en que la concentración remanente del

metal se mantuvo constante, a una temperatura de 20 °C (aproximadamente la temperatura

ambiente).

c. Tomar 100 mL de cada una de las soluciones expuestas a quitosano, filtrar para remover

exceso del biosorbente y someterlas a un proceso de digestión ácida.

d. Determinar las concentraciones residuales de cromo de las muestras mediante


2.5.6.2. Níquel

a. Preparar soluciones de 3, 10, 50 y 100 mg/L de níquel.

b. Colocar 500 mL de cada solución en vasos de precipitación y agregar 3 g de quitosano a

cada una. Mantener en agitación constante a 300 rpm, para favorecer el contacto entre el

biosorbente y el metal, por tiempo de 6 horas tiempo en que la concentración remanente del

metal se mantuvo constante, a una temperatura de 20 °C (aproximadamente la temperatura

ambiente).

c. Tomar 100 mL de cada una de las soluciones expuestas a quitosano, filtrar para remover

exceso del biosorbente y someterlas a un proceso de digestión ácida.

35

d. Determinar las concentraciones residuales de níquel de las muestras mediante


36

3. DATOS EXPERIMENTALES

3.1. Caracterización del quitosano

El tamaño de partícula se obtuvo directamente del molino ultracentrífugo, se utilizó un tamiz de

1mm.

Tabla 8. Tamaño de partícula del quitosano

Tamaño de partícula (mm) 1

Para determinar el grado de desacetilación, se utilizan las medidas de transmitancia a

diferentes longitudes de onda. El gráfico que da el espectrofotómetro FTIR se observa en el

ANEXO B.

Tabla 9. Longitud de onda- transmitancia del espectro del quitosano

Longitud de onda (cm-1

) Transmitancia (%)

1320 36,54

1420 36,50

3.2. Biosorción

La biosorción de cromo hexavalente y níquel se realizó a altas y bajas concentraciones de estos

metales, para probar la eficiencia del quitosano a estas condiciones.

3.2.1. Biosorción de cromo hexavalente

Tabla 10. Datos biosorción de cromo hexavalente a altas concentraciones

n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Cr6+

(mg/L)


de Cr6+

(réplica 1)

(mg/L)

Concentración

final de Cr6+

(réplica 2)

(mg/L)

1 1 30 500 451,00 435,00

2 1 60 500 444,00 425,00

37


n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Cr6+

(mg/L)


de Cr6+

(réplica 1)

(mg/L)

Concentración

final de Cr6+

(réplica 2)

(mg/L)

3 1 90 500 428,00 423,50

4 3 30 500 400,00 410,50

5 3 60 500 396,50 393,50

6 3 90 500 377,50 388,00

7 5 30 500 382,50 388,50

8 5 60 500 373,00 380,00

9 5 90 500 371,00 363,50

Tabla 11. Datos biosorción de cromo hexavalente a bajas concentraciones

n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Cr6+

(mg/L)


de Cr6+

(réplica 1)

(mg/L)

Concentración

final de Cr6+

(réplica 2) (mg/L)

1 1 30 5 4,53 4,18

2 1 60 5 4,26 4,08

3 1 90 5 3,93 3,82

4 3 30 5 3,73 3,70

5 3 60 5 3,61 3,51

6 3 90 5 3,57 3,44

7 5 30 5 3,52 3,19

8 5 60 5 3,31 3,18

9 5 90 5 2,66 3,06

38

3.2.2. Biosorción de níquel

Tabla 12. Datos biosorción de níquel a altas concentraciones

n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Ni2+

(mg/L)


de Ni2+

(réplica 1)

(mg/L)


de Ni2+

(réplica 2)

(mg/L)

1 1 30 50 26,800 27,997

2 1 60 50 20,498 21,100

3 1 90 50 20,231 16,100

4 3 30 50 7,800 10,332

5 3 60 50 5,250 6,399

6 3 90 50 3,633 3,733

7 5 30 50 4,233 4,616

8 5 60 50 2,701 3,613

9 5 90 50 2,323 2,866

Tabla 13. Datos biosorción de níquel a bajas concentraciones

n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Ni2+

(mg/L)


de Ni2+

(réplica 1)

(mg/L)

Concentración

final de Ni2+

(réplica 2)

(mg/L)

1 1 30 3 0,547 0,647

2 1 60 3 0,527 0,529

3 1 90 3 0,508 0,522

4 3 30 3 0,498 0,509

5 3 60 3 0,490 0,491

6 3 90 3 0,474 0,472

7 5 30 3 0,456 0,490

8 5 60 3 0,436 0,459

9 5 90 3 0,406 0,430

39

3.3. Isotermas de biosorción

3.3.1. Isoterma de biosorción de cromo hexavalente. La isoterma fue construida a las

siguientes condiciones:

pH= 7

Tiempo= 6 horas

Temperatura= 20 °C

Volumen de solución= 500 mL

Cantidad de quitosano= 3 g

Tabla 14. Datos isoterma de biosorción de cromo hexavalente

n Concentración inicial

(mg Cr6+

/L)

Concentración en equilibrio

(mg Cr6+

/L)

1 5 3,11

2 50 31,65

3 100 65,00

4 500 371,50

3.3.2. Isoterma de biosorción de níquel. La isoterma fue construida a las siguientes

condiciones:

pH= 7.

Tiempo= 6 horas.

Temperatura= 20 °C.

Volumen de solución= 500 mL.

Cantidad de quitosano= 3 g

Tabla 15. Datos isoterma de biosorción de níquel

n Concentración inicial

(mg Ni2+

/L)

Concentración en

equilibrio (mg Ni2+

/L)

1 3 0,205

2 10 0,689

3 50 3,646

4 100 7,830

40

4. CÁLCULOS

4.1. Rendimiento y grado de desacetilación del quitosano

4.1.1. Rendimiento del quitosano

Para el rendimiento del quitosano, se tomó en cuenta la cantidad de cáscaras utilizadas y el

quitosano.

(6)

Donde:

Masa final obtenida = Masa de quitosano

Masa Inicial= Masa cáscaras de camarón secas

4.1.2. Grado de desacetilación

El grado de desacetilación del quitosano obtenido se realizó teniendo en cuenta la relación que

existe entre la banda característica a 1320 cm-1

y la absorción de la banda tomada como

referencia interna a 1421 cm-1

, de acuerdo con lo establecido en la literatura.

Para la obtención del grado de desacetilación se tiene la siguiente ecuación:

(( (

)) ) (7)

41

De acuerdo con el espectro infrarrojo, se tienen los siguientes valores de transmitancia (VER

ANEXO B):

Cálculo de la absorbancia.

(8)

Cálculo de GD:

4.2. Eficiencia de biosorción

Se evaluó la eficiencia del quitosano como biosorbente con concentraciones de metales altas y

bajas, mediante la siguiente ecuación:

(

) (9)

Donde:

C = concentración remanente del metal en la solución después de la biosorción

Co= Concentración Inicial del metal en la solución antes de la biosorción

4.2.1. Cálculo modelo eficiencia de biosorción para cromo hexavalente a bajas

concentraciones n=1 (réplica 1)

(

)

42

4.2.2. Cálculo modelo para la cantidad removida de cromo hexavalente bajas

concentraciones n=1 (réplica 1)

(10)

4.2.3. Análisis estadístico. Para el análisis estadístico se utilizó el programa STATGRAPHICS,

definiendo el diseño experimental multifactorial 3k=3

2.

Se probará estadísticamente si los dos factores: cantidad de quitosano y tiempo de contacto,

influyen en la concentración final de los metales en la solución.

Tabla 16. Codificación de los factores para el diseño estadístico

Factor Notación

Cantidad de quitosano A

Tiempo de contacto B

Se analizará la distribución F ya que es la de mayor relevancia en diseño de experimentos, dado

que el análisis de la variabilidad que se observó en un experimento se hace comparando

varianzas.

4.2.3.1. Cálculo modelo para la ANOVA de dos factores. El modelo estadístico para el diseño

32 se puede escribir considerando el efecto individual de cada factor y de la interacción entre

ambos. En consecuencia la hipótesis que se desea probar es:

HIPÓTESIS NULA:

Ho = En el efecto del factor A las medias son iguales

Ho = En el efecto del factor B las medias son iguales

Ho = En la interacción de los factores AB las medias son iguales

43

HIPÓTESIS ALTERNATIVA:

Ha = En el efecto del factor A las medias no son iguales

Ha = En el efecto del factor B las medias no son iguales

Ha = En la interacción de los factores AB las medias no son iguales

Cálculo modelo para la ANOVA

∑

(11)

∑

(12)

∑ ∑

(13)

∑ ∑ ∑

(14)

(15)

N = abn (16)

(17)

(18)

Donde:

Y… = Suma de todas las observaciones

Yi.= Suma de las observaciones del tratamiento i del factor A

Y.j. = Suma de las observaciones del tratamiento i del factor B

Yijk = Suma global de todas las observaciones

SCT = suma de cuadrados totales

SCA = suma de cuadrados del efecto A

SCB = suma de cuadrados del efecto B

SCE = Suma de cuadrados del error

44

N = total de observaciones del experimento

n = Número réplicas

GL = Grados de libertad

CM = Cuadrados medios

F = Estadístico de Fisher

Tabla 17. ANOVA para diseño estadístico factorial 3k

FV SC GL CM Fo Valor-p

Efecto A SCA a-1 CMA CMA /CME P(F>Fo)

Efecto B SCB b-1 CMB CMB /CME P(F>Fo)

Efecto AB SCAB (a-1)(b-1) CMAB CMAB /CME P(F>Fo)

Error SCE ab(n-1) CME

Total SCT abn -1

Si Fcalculada > Fcrítica, las varianzas no son iguales, se cumple la hipótesis alternativa.

4.2.3.2. Condiciones óptimas de biosorción. La optimización es una técnica matemática que

sirve para extraer información sobre el punto óptimo del proceso.

Para saber las condiciones óptimas, se utilizó el programa estadístico STATGRAPHICS

utilizando la técnica de superficie de respuesta.

45

Figura 7. Cálculos en STATGRAPHICS

46


4.3.1. Isoterma de cromo hexavalente

4.3.1.1. Cálculo de la cantidad de soluto adsorbido por gramo de biosorbente para cromo

hexavalente

(

) (19)

Cálculo modelo n=1

(

)

Tabla 18. Cálculos de la cantidad adsorbida de Cr6+

por gramo de quitosano

n Ci (mg Cr 6+

/L) Ce (mg Cr 6+

/L) qe (mg Cr 6+

/ g quitosano)

1 5 3,110 0,315

2 50 31,650 3,058

3 100 65,000 5,833

4 500 371,500 21,417

4.3.1.2. Modelado de Langmuir. Para obtener el modelo linealizado de Langmuir, se grafica la

relación concentración en equilibrio del metal en la fase sólida, en función de concentración en

equilibrio de la fase líquida.

Cálculo modelo n=1

47

Tabla 19. Datos para la isoterma de Langmuir para cromo hexavalente

n Ce/qe (Lsln/g biosorbente) Ce (mg/L)

1 9,873 3,11

2 10,349 31,650

3 11,143 65,000

4 17,346 371,500

Gráfico 3. Modelo linealizado de Langmuir para cromo hexavalente

La ecuación del modelo linealizado de Langmuir es:

(20)

Del gráfico 3 se obtiene:

(21)

y = 0,0204x + 9,7768 R² = 0,9998

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,000 100,000 200,000 300,000 400,000

Ce/

qe

(Lsl

n/g

bio

sorb

ente

)

Ce (mg/L)

MODELO LINEALIZADO DE LANGMUIR

ModeloLinalizadoLangmuir

Lineal (ModeloLinalizadoLangmuir)

48

Cálculo de la capacidad máxima de adsorción de cromo hexavalente se obtiene de la ecuación

(21).

Cálculo de la constante de Langmuir

4.3.1.3. Modelado de Freundlich. Para obtener el modelo linealizado de Freundlich, se grafica

el logaritmo natural de la concentración en equilibrio en fase sólida en función del logaritmo

natural de la concentración en equilibrio en fase líquida.

Cálculo modelo n=1

Tabla 20. Datos para la isoterma de Freundlich para cromo hexavalente

n ln(qe) (L sln/g biosorbente) ln(Ce) (mg/L)

1 -1,155 1,135

2 1,118 3,455

3 1,764 4,174

4 3,064 5,918

49

Gráfico 4. Modelo linealizado de Freundlich para cromo hexavalente

La ecuación del modelo linealizado de Freundlich es:

(22)


(23)

De la ecuación (23) se tiene:

(24)

(25)

y = 0,8882x - 2,0623 R² = 0,9943

-1,500

-1,000

-0,500

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

0,000 2,000 4,000 6,000 8,000

ln(q

e)

ln(Ce)

MODELO LINEALIZADO DE FREUNDLICH

Modelo linealizadode freundlich

Lineal (Modelolinealizado defreundlich)

50

4.3.2. Isoterma de níquel

4.3.2.1. Cálculo de la cantidad de soluto adsorbido por gramo de biosorbente para níquel

(

) (26)

Cálculo modelo n=1

(

)

Tabla 21. Cálculos cantidad adsorbida de Ni2+

por gramo de quitosano

n Ci (mg Ni2+

/L) Ce (mg Ni2+

/L) qe (mg Ni2+

/ g biosorbente)

1 3 0,205 0,466

2 10 0,689 1,552

3 50 3,646 7,726

4 100 7,830 15,362

4.3.2.2. Modelado de Langmuir. Para obtener el modelo linealizado de Langmuir, se grafica la

relación concentración en equilibrio del metal en la fase sólida en función de concentración en

equilibrio de la fase líquida.

Cálculo modelo n=1

51

Tabla 22. Datos para la isoterma de Langmuir para níquel

n Ce/qe (Lsln/g biosorbente) Ce (mg/L)

1 0,4401 0,205

2 0,4440 0,689

3 0,4719 3,646

4 0,5097 7,830

Gráfico 5. Modelo linealizado de Langmuir para níquel

La ecuación del modelo linealizado de Langmuir es:

(27)


(28)

Cálculo de la capacidad máxima de adsorción de níquel se obtiene de la ecuación (28).

y = 0,0092x + 0,4381 R² = 0,9999

0,4300

0,4400

0,4500

0,4600

0,4700

0,4800

0,4900

0,5000

0,5100

0,5200

0,000 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000

Ce/

qe

(Lsl

n/g

bio

sorb

ente

)

Ce (mg/L)

MODELO LINEALIZADO DE LANGMUIR

Modelolinealizado deLangmuir

Lineal (Modelolinealizado deLangmuir)

52

Cálculo de la constante de Langmuir

4.3.2.3. Modelado de Freundlich. Para obtener el modelo linealizado de Freundlich se grafica

el logaritmo natural de la concentración del metal en equilibrio en fase sólida en función del

logaritmo natural de la concentración en equilibrio en fase líquida.

Cálculo modelo n=1

Tabla 23. Datos para la isoterma de Freundlich para níquel

ln (qe) (Lsln/g biosorbente) ln (Ce) (mg/L)

-0,7639 -1,5847

0,4394 -0,3725

2,0445 1,2936

2,7319 2,0580

53

Gráfico 6. Modelo linealizado de Freundlich para níquel

La ecuación del modelo linealizado de Freundlich es:

(29)


(30)

De la ecuación (30) se tiene:

(31)

(32)

y = 0,9615x + 0,7778 R² = 0,9998

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-2 -1 0 1 2 3

ln(q

e)

ln(Ce)

MODELO LINEALIZADO DE FREUNDLICH

Modelolinealizado deFreundlich

Lineal (Modelolinealizado deFreundlich)

54

4.4. Estimación de costos

4.4.1. Costo del quitosano elaborado en laboratorio. El quitosano fue elaborado en el

laboratorio de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador. Para calcular el costo

de obtención del quitosano se utiliza la ecuación (33).

(33)

Donde

CO = Costos de obtención

CMD = Costos de materiales directos

CMOD = Costos de mano de obra directa

CGF = Costos generales de fabricación

Para costos de materiales directos, se tomó en cuenta todo lo que intervino directamente en la

elaboración del producto y los costos fueron estimados de acuerdo al mercado ecuatoriano.

Tabla 24. Costos de los materiales directos para la obtención de quitosano en laboratorio

Material kg $ /kg Total

Materia Prima 0,40 3,00 1,20

HCl 0,17 7,83 1,31

NaOH 0,50 21,38 10,69

Total ($) 13,20

Rendimiento obtenido de los 400 g 120

Costo total de materiales directos ($/g) 0,11

La mano de obra directa involucra el personal que directamente está involucrado con la

elaboración del producto, este costo se calculó tomando como referencia lo que gana un técnico,

más todos los beneficios que una empresa debe dar a un empleador en el Ecuador.

55

Tabla 25. Costos de mano de obra directa para obtención del quitosano en laboratorio

SALARI

O

%

IESS (9.45

emplead

o y

12.15

empresa

)

Décimo

tercero

Décim

o

cuarto

Vacaciones

(salario/24)

Fondos de

reserva

(salario/12)

Total

gastos

mensual

Horas

Hombre

Costo

$/HH

Técnico 500,00 60,75 41,67 29,50 20,83 41,67 694,42 240 2,89

Horas trabajadas 35,00

Costo mano de obra directa ($) 101,3

Rendimiento obtenido de los 400 g de cáscara (g) 120

Total costo mano de obra directa ($/g) 0,84

Los gastos generales de fabricación son todos los costos necesarios extras que intervienen en la

elaboración del producto; dado que el quitosano fue obtenido en los laboratorios de la Facultad

de Ingeniería Química, los costos de servicios básicos se consideran como despreciables.

Se tomó en cuenta también la depreciación de los equipos ocupados, como la estufa, que al ser

de uso para laboratorio, se depreció en 4 años.

Tabla 26. Costos generales de fabricación en laboratorio

Luz ($) -

Agua ($) -

Depreciación de equipos ($) 21

Materiales Indirectos ($) 15

Total costos generales de fabricación ($) 36

Rendimiento obtenido de los 400 g de cáscara (g) 120

Total costos generales de fabricación($/g) 0,30

Tabla 27. Costos de obtención del quitosano en laboratorio

Total costos de materiales directos($/g) 0,11

Total costo mano de obra directa ($/g) 0,84

Total costos generales de fabricación($/g) 0,30

Total costo de obtención del quitosano ($/g) 1,25

El costo estimado de obtención del quitosano a nivel de laboratorio el de $1,25 por gramo.

56

4.4.1. Comparación de costos entre un método tradicional y el propuesto en función de la

materia prima

La estimación de costos se realizó en función de los materiales que se utiliza en cada método.

Biosorción con quitosano

En el costo del quitosano obtenido a nivel de laboratorio predomina el valor de la mano de obra,

siendo el 80% del costo total de obtención, por lo tanto se considera que a nivel industrial el

costo de la mano de obra es aproximadamente el 10% del costo del producto, obteniendo así que

el costo del quitosano es de $0,53 el gramo.

Tabla 28. Estimación de costos del método propuesto

Métodos de remoción Insumo utilizado $/g

Propuesto (biosorción con quitosano) Quitosano 0,53

Precipitación química

Este método es el más utilizado por las industrias, ya que presenta altas eficiencias y su

operación es relativamente sencilla.

El trabajo investigativo sobre remoción de metales pesados en aguas residuales industriales por

la técnica de precipitación alcalina, desarrollada por María Padilla Stevenel en México, indica

que este método llega a alcanzar eficiencias superiores al 90 %.

El agente precipitante más común utilizado en la remoción de metales por esta técnica en el

hidróxido de sodio cuyo precio en el mercado es de $21,38 el kilogramo.

Tabla 29. Estimación de costos del método tradicional

Métodos de remoción Insumo utilizado $/g

Tradicional (precipitación química) NaOH 0,021

57

5. RESULTADOS

5.1. Rendimiento y grado de desacetilación del quitosano

Tabla 30. Rendimiento y grado de desacetilación del quitosano

GD% 80,32

% Rendimiento 29,86

5.2. Eficiencia de biosorción

5.2.1. Eficiencia en la biosorción de cromo hexavalente. En las tablas 31, 32, 33 y 34 se

muestran los resúmenes de los resultados obtenidos de las eficiencias en la biosorción de cromo

hexavalente a altas y bajas concentraciones.


a altas concentraciones (réplica 1)

n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Cr6+

(mg/L)

Concentración

final de Cr6+

(réplica 1) (mg/L)

Cantidad

removida

(mg/L)

%

Eficiencia

1 1 30 500 451,00 49,00 9,80

2 1 60 500 444,00 56,00 11,20

3 1 90 500 428,00 72,00 14,40

4 3 30 500 400,00 100,00 20,00

5 3 60 500 396,50 103,50 20,70

6 3 90 500 377,50 122,50 24,50

7 5 30 500 382,50 117,50 23,50

8 5 60 500 373,00 127,00 25,40

9 5 90 500 371,00 129,00 25,80

58



n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Cr6+

(mg/L)

Concentración

final de Cr6+

(réplica 2) (mg/L)

Cantidad

removida

(mg/L)

%

Eficiencia

1 1 30 500 435,00 65,00 13,00

2 1 60 500 425,00 75,00 15,00

3 1 90 500 423,50 76,50 15,30

4 3 30 500 410,50 89,50 17,90

5 3 60 500 393,50 106,50 21,30

6 3 90 500 388,00 112,00 22,40

7 5 30 500 388,50 111,50 22,30

8 5 60 500 380,00 120,00 24,00

9 5 90 500 363,50 136,50 27,30


a bajas concentraciones (réplica 1)

n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Cr6+

(mg/L)

Concentración

final de Cr6+

(réplica 1) (mg/L)

Cantidad

removida

(mg/L)

%

Eficiencia

1 1 30 5 4,53 0,48 9,50

2 1 60 5 4,26 0,74 14,84

3 1 90 5 3,93 1,07 21,40

4 3 30 5 3,73 1,27 25,40

5 3 60 5 3,61 1,39 27,72

6 3 90 5 3,57 1,44 28,70

7 5 30 5 3,52 1,48 29,60

8 5 60 5 3,31 1,70 33,90

9 5 90 5 2,66 2,34 46,84

59


a bajas concentraciones (réplica2)

n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Cr6+

(mg/L)

Concentración

final de Cr6+

(réplica 2) (mg/L)

Cantidad

removida

(mg/L)

%

Eficiencia

1 1 30 5 4,18 0,82 16,42

2 1 60 5 4,08 0,93 18,50

3 1 90 5 3,82 1,18 23,68

4 3 30 5 3,70 1,31 26,10

5 3 60 5 3,51 1,49 29,88

6 3 90 5 3,44 1,56 31,14

7 5 30 5 3,19 1,81 36,18

8 5 60 5 3,18 1,82 36,46

9 5 90 5 3,06 1,94 38,78

5.2.2. Eficiencia en la biosorción de níquel. En las tablas 35, 36, 37 y 38 se muestran los

resúmenes de los resultados obtenidos de las eficiencias en la biosorción de níquel a altas y

bajas concentraciones.



n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Ni2+

(mg/L)

Concentración

final de Ni2+

(réplica 1) (mg/L)

Cantidad

removida

(mg/L)

%

Eficiencia

1 1 30 50 26,800 23,200 46,400

2 1 60 50 20,498 29,502 59,004

3 1 90 50 20,231 29,769 59,537

4 3 30 50 7,800 42,200 84,400

5 3 60 50 5,250 44,750 89,500

6 3 90 50 3,633 46,367 92,734

7 5 30 50 4,233 45,767 91,534

8 5 60 50 2,701 47,299 94,598

9 5 90 50 2,323 47,677 95,354

60



n Quitosano

(g)

Tiempo

(min)

Concentración

inicial de Ni2+

(mg/L)

Concentración

final de Ni2+

(réplica 2) (mg/L)

Cantidad

removida

(mg/L)

%

Eficiencia

1 1 30 50 27,997 22,003 44,006

2 1 60 50 21,100 28,900 57,800

3 1 90 50 16,100 33,900 67,800

4 3 30 50 10,332 39,668 79,335

5 3 60 50 6,399 43,601 87,201

6 3 90 50 3,733 46,267 92,534

7 5 30 50 4,616 45,384 90,768

8 5 60 50 3,613 46,387 92,774

9 5 90 50 2,866 47,134 94,268



n Quitosano Tiempo

Concentración

inicial de Ni2+

(mg/L)

Concentración

final de Ni2+

(réplica 1) (mg/L)

Cantidad

removida

(mg/L)

%

Eficiencia

1 1 30 3 0,547 2,453 81,767

2 1 60 3 0,527 2,473 82,433

3 1 90 3 0,508 2,492 83,067

4 3 30 3 0,498 2,502 83,400

5 3 60 3 0,490 2,510 83,667

6 3 90 3 0,474 2,526 84,200

7 5 30 3 0,456 2,544 84,800

8 5 60 3 0,436 2,564 85,467

9 5 90 3 0,406 2,594 86,467

61



5.2.3. Análisis estadístico

5.2.3.1. Análisis estadístico biosorción de cromo hexavalente. El análisis de varianza

(ANOVA) es la técnica central en el análisis de datos experimentales. La idea general de esta

técnica es separar la variación total en las partes con las que contribuye cada fuente de variación

en el experimento.

Para determinar si los factores tienen alguna inferencia significativa en la variable de respuesta,

se realizó el análisis de varianza (ANOVA), mediante el programa STATGRAPHICS, se tiene

las siguientes tablas.

n Quitosano Tiempo

Concentración

inicial de Ni2+

(mg/L)

Concentración

final de Ni2+

(réplica 2) (mg/L)

Cantidad

removida

(mg/L)

%

Eficiencia

1 1 30 3 0,647 2,353 78,433

2 1 60 3 0,529 2,471 82,367

3 1 90 3 0,522 2,478 82,600

4 3 30 3 0,509 2,491 83,033

5 3 60 3 0,491 2,509 83,633

6 3 90 3 0,472 2,528 84,267

7 5 30 3 0,490 2,510 83,667

8 5 60 3 0,459 2,541 84,700

9 5 90 3 0,430 2,570 85,667

62

Tabla 39. ANOVA biosorción de cromo hexavalente a altas concentraciones

Fuente Suma de

cuadrados Gl

Cuadrado

medio

Razón-

F Valor-P

Valor

crítico

de F

Efectos principales

A:cantidad de

quitosano 10583,4 2 5291,68 94,49 0,0000 4,2565

B:tiempo de contacto 1122,03 2 561,014 10,02 0,0051 4,2565

Interacciones

AB 16,2222 4 4,05556 0,07 0,9888 3,6331

Residuos 504,0 9 56,0

Total (corregido) 12225,6 17

La tabla 39 descompone la variabilidad de concentración final de cromo hexavalente en

contribuciones debidas a varios factores. La contribución de cada factor se mide eliminando los

efectos de los demás. Los valores-P prueban la significancia estadística de cada uno de los

factores.

El factor A correspondiente a la cantidad de quitosano y el factor B correspondiente al tiempo

de contacto, tienen un valor-p menor a 0,05, por lo tanto se puede establecer que son

significativamente influyentes en la variable concentración final de cromo hexavalente con un

95% de nivel de confianza.

En otras palabras, el estadístico F obtenido del factor A y B es mayor al F crítico calculado a un

95% de confianza, rechazando la hipótesis nula y aceptando la hipótesis alternativa, por lo que

el factor A tiene influencia en la variable concentración final de cromo hexavalente eliminando

el efecto factor B y el factor B tiene influencia en la variable concentración final de cromo

hexavalente eliminando el efecto del factor A.

En el caso de la interacción de ambos factores AB, se tiene que el estadístico F obtenido es

menor al F crítico calculado a un 95% de confianza, aceptando la hipótesis nula, por lo que la

interacción de ambos factores no influye en la variable concentración final de cromo

hexavalente.

63

Gráfico 7. Efectos principales para concentración final cromo hexavalente a altas

concentraciones

El gráfico 7 indica los efectos individuales de los factores cantidad de quitosano y tiempo de

contacto para cromo hexavalente a altas concentraciones.

Tabla 40. ANOVA biosorción de cromo hexavalente a bajas concentraciones

Fuente Suma de

cuadrados Gl

Cuadrado

medio

Razón-

F

Valor-

P

Valor crítico

de F

Efectos principales

A:cantidad de

quitosano 2,8912 2 1,4456 54,14 0,0000 4,2565

B:tiempo de

contacto 0,4771 2 0,23855 8,93 0,0073 4,2565

Interacciones

AB 0,075 4 0,01875 0,70 0,6098 3,6331

Residuos 0,2403 9 0,0267


La tabla 40 descompone la variabilidad de concentración final de cromo hexavalente en

contribuciones debidas a varios factores. La contribución de cada factor se mide eliminando los

efectos de los demás. Los valores-P prueban la significancia estadística de cada uno de los

factores.



significativamente influyentes en la variable concentración final de cromo hexavalente con un

95% de nivel de confianza.

Gráfica de Efectos Principales para concentracion de cromo final

370

390

410

430

450

conc

entr

acio

n de

cro

mo

final

Cantidad de Quitosano

1,0 5,0

tiempo de contacto

30,0 90,0

64


95% de confianza, rechazando la hipótesis nula y aceptando la hipótesis alternativa, por lo que

el factor A tiene influencia en la variable concentración final de cromo hexavalente eliminando

el efecto factor B y el factor B tiene influencia en la variable concentración final de cromo

hexavalente eliminando el efecto del factor A.


menor al F crítico calculado a un 95% de confianza, aceptando la hipótesis nula por lo que la

interacción de AB no influye en la variable concentración final de cromo hexavalente.

Gráfico 8. Efectos principales para concentración final cromo hexavalente a bajas

concentraciones


contacto para cromo hexavalente a bajas concentraciones.

5.2.3.2. Análisis estadístico biosorción de níquel. Para determinar si los factores tienen alguna

inferencia significativa en la variable de respuesta, se realizó el análisis de varianza (ANOVA),

mediante el programa STATGRAPHICS, se tiene las siguientes tablas:

1,0

Tiempo de Contacto

90,0

Gráfica de Efectos Principales para Concentracion FInal Cromo

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

4,1

4,3

Co

ncen

tracio

n F

Inal

Cro

mo


5,0 30,0

65

Tabla 41. ANOVA biosorción de níquel a altas concentraciones

Fuente Suma de

cuadrados

Gl Cuadrado

medio

Razón-

F

Valor-P Valor

crítico

de F

Efectos principales

A:cantidad de

quitosano

1224,74 2 612,37 395,43 0,0000 4,2565


Interacciones

AB 29,5285 4 7,38212 4,77 0,0243 3,6331

Residuos 13,9374 9 1,5486


La tabla 41 descompone la variabilidad de concentración final de níquel en contribuciones

debidas a varios factores. La contribución de cada factor se mide eliminando los efectos de los

demás. Los valores-P prueban la significancia estadística de cada uno de los factores.


de contacto, así como la interacción de ambos factores AB, tienen un valor-p menor a 0,05, por

lo tanto se puede establecer que son significativamente influyentes en la variable concentración

final de níquel con un 95% de nivel de confianza.

En otras palabras, el estadístico F obtenido del factor A y B y la interacción AB es mayor al F

crítico calculado a un 95% de confianza, rechazando la hipótesis nula y aceptando la hipótesis

alternativa, por lo que el factor A tiene influencia en la variable concentración final de níquel

eliminando el efecto factor B, el factor B tiene influencia en la variable concentración final de

níquel eliminando el efecto del factor A y la interacción de ambos factores AB tienen una

influencia en la variable concentración final de níquel.

Gráfico 9. Efectos principales para concentración final níquel a altas concentraciones

1,0

Tiempo de Contacto

90,0

Gráfica de Efectos Principales para Concentración final de Ni

0

4

8

12

16

20

Co

nce

ntr

ació

n f

inal

de

Ni


5,0 30,0

66


contacto para níquel a altas concentraciones.

Gráfico 10. Interacción AB para concentración final níquel a altas concentraciones

En el gráfico 10 se aprecia que para ambos factores A y B, la variable de respuesta

concentración final de níquel varia en forma diferente.

Tabla 42. ANOVA biosorción de níquel a bajas concentraciones

Fuente Suma de

cuadrados

Gl Cuadrado

medio

Razón-

F

Valor-P Valor

crítico

de F

Efectos principales

A:cantidad de

quitosano

0,0305208 2 0,0152604 21,82 0,0004 4,2565


Interacciones

AB 0,00213389 4 0,000533472 0,76 0,5750 3,6331

Residuos 0,0062935 9 0,000699278


La tabla 42 descompone la variabilidad de concentración final de níquel en contribuciones

debidas a varios factores. La contribución de cada factor se mide eliminando los efectos de los

demás. Los valores-P prueban la significancia estadística de cada uno de los factores.



significativamente influyentes en la variable concentración final de níquel con un 95% de nivel

de confianza.

1,0

Tiempo de Contacto=30,0


Gráfica de Interacción para Concentración final de Ni

0

5

10

15

20

25

Co

nc

en

tra

ció

n f

ina

l de

Ni


5,0



67


95% de confianza, rechazado la hipótesis nula y aceptando la hipótesis alternativa, por lo que el

factor A tiene influencia en la variable concentración final de níquel eliminando el efecto factor

B y el factor B tiene influencia en la variable concentración final de níquel eliminando el efecto

del factor A.


menor al F crítico calculado a un 95% de confianza, aceptando la hipótesis nula , por lo que la

interacción de ambos factores no infiere en la variable concentración final de níquel.

Gráfico 11. Efectos principales para concentración final níquel a bajas concentraciones


contacto para níquel a bajas concentraciones.

5.2.3.2. Condiciones óptimas de biosorción. Para analizar los resultados de los ensayos

realizados se utilizó un software estadístico llamado STATGRAPHICS, con el que se

obtuvieron las condiciones óptimas de trabajo.

a. Cromo altas concentraciones

Gráfico 12. Condiciones óptimas para cromo hexavalente altas concentraciones

Gráfica de Efectos Principales para Concentración Final de Ni

0,44

0,46

0,48

0,5

0,52

0,54

0,56

Co

ncen

tració

n F

inal

de N

i


1,0 5,0

Tiempo de Contacto

30,0 90,0

Superficie de Respuesta Estimada

0 1 2 3 4 5Cantidad de Quitosano

3040

5060

7080

90

tiempo de contacto

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

De

se

ab

ilid

ad

68

Tabla 43. Resultados condiciones óptimas para cromo hexavalente altas concentraciones


(g)

tiempo de contacto

(min)

Concentración de cromo

hexavalente final (mg/L)

4,955 89,897 363,496

b. Cromo bajas concentraciones

Gráfico 13. Condiciones óptimas para cromo hexavalente bajas concentraciones

Tabla 44. Resultados condiciones óptimas para cromo hexavalente bajas concentraciones

Cantidad de

Quitosano (g)

tiempo de contacto

(min)

Concentración de cromo hexavalente

final (mg/L)

5 90 2,951

c. Níquel altas concentraciones

Gráfico 14. Condiciones óptimas para níquel bajas concentraciones



3040

5060

7080

90

Tiempo de Contacto

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

De

se

ab

ilid

ad



3040

5060

7080

90

Tiempo de Contacto

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Deseab

ilid

ad

69

Tabla 45. Resultados condiciones óptimas para níquel bajas concentraciones


(g)

tiempo de contacto

(min)

Concentración de níquel final

(mg/L)

4,781 85,316 2,229

d. Níquel bajas concentraciones

Gráfico15. Condiciones óptimas para níquel bajas concentraciones

Tabla 46. Resultados condiciones óptimas para níquel bajas concentraciones


(g)

tiempo de contacto

(min)

Concentración de níquel final

(mg/L)

5 90 0,4225

5.2.4. Isotermas de biosorción

Tabla 47. Resultados isoterma cromo hexavalente

Modelo de equilibrio RESULTADOS

Langmuir

R = 0.9998

Freundlich

R= 0,9943



3040

5060

7080

90

Tiempo de Contacto

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

De

se

ab

ilid

ad

70

Tabla 48. Resultados isoterma níquel

Modelo de equilibrio RESULTADOS

Langmuir

R = 0.9999

Freundlich

R= 0,9998

71

6. DISCUSIÓN

6.1. Quitosano

La determinación del grado de desacetilación es un parámetro importante para la caracterización

del quitosano. En esta investigación se obtuvo un quitosano con 80,32% de grado de

desacetilación, lo que indica que el tratamiento químico para extraer quitosano fue adecuado.

Según Shuang Chi, 2004, el quitosano debe encontrarse dentro de un rango de 70 % a 95 % de

grado de desacetilación, valor que permite clasificar su calidad como buena; considerando que a

mayor grado de desacetilación, mayor es su calidad (Molina, 2011, p.19). Esto influye en

importantes propiedades físicas como la viscosidad, solubilidad, biodegradabilidad y

biocompatibilidad. Además es funcional para aplicarlo en control ambiental, mientras que en

usos médicos o farmacéuticos se requeriría quitosanos con grado de desacetilación mayor a 90.

La calidad del quitosano se ve afectada por diferentes variables como son tiempos,

concentraciones, y temperaturas en el proceso de extracción con álcali caliente. Para su

obtención, se mantuvo el valor de las variables de acuerdo con los resultados obtenidos por

Vanegas G, 2014.

6.2. Estudio de biosorción

El estudio de biosorción no considera las interferencias que puede tener en la realidad el agua

residual como: materia orgánica, sales, y otros iones metálicos (Mg+2

, Ca+2

, Na, Ca, Fe3+

, Zn2+

),

que pueden provocar la competencia de sitios disponibles para adsorber el metal de interés

disminuyendo la adsorción del mismo.

6.2.1. Biosorción de cromo hexavalente. Las eficiencias de biosorción obtenidas para cromo

hexavalente en altas y bajas concentraciones son de hasta 27,30% y 46,86% respectivamente.

Las eficiencias de biosorción se pueden considerar bajas, porque a la concentración de

500 mg Cr6+

/L, se llegó hasta una concentración final de 363,50 mg Cr6+

/L y a la concentración

de 5 mg Cr6+

/L se llegó hasta una concentración final de 2,66 mg Cr6+

/L, lo que indica que el

quitosano no va a remover lo suficiente para llegar a los valores establecidos por la norma

ambiental ecuatoriana (TULAS) de 0,5 mg Cr6+

/L para descargas de alcantarillado.

72

Esto se puede atribuir a que el cromo hexavalente es difícil de retirar en tratamientos de agua y

que responde directamente a tratamientos químicos.

Las eficiencias de biosorción son menores para la biosorción a una concentración inicial de 500

mg/ L que para 5 mg/L, esto se debe a una mayor saturación del biosorbente cuando está en

contacto a altas concentraciones del metal. En otras palabras, a una baja concentración hay una

mayor cantidad de sitios disponibles para la biosorción.

a. Cromo hexavalente a altas concentraciones.

En la tabla 39 se definió que solo los efectos individuales de los factores A y B influyen

significativamente en la variable concentración de cromo hexavalente a altas

concentraciones. Mediante la gráfica 7, obtenida del análisis estadístico por el programa

STATGRAPHICS, se tiene que entre mayor influencia tenga la variable, la recta formada

tiene mayor longitud con respecto a la otra, así se observa que el efecto individual del

factor A correspondiente a la cantidad de quitosano es mayor al efecto B individual

correspondiente al tiempo de contacto, es decir que la cantidad removida de cromo

hexavalente va a ser mayor en función de la cantidad de biosorbente que se ocupe, que del

tiempo de contacto metal-biosorbente. Esto refuerza la conclusión de que los puntos de

adsorción se saturan rápidamente, con lo que, el tiempo deja de ser una variable de

influencia.

b. Cromo hexavalente a bajas concentraciones.


significativamente en la variable concentración de cromo hexavalente a bajas

concentraciones. Mediante la gráfica 11 obtenida del análisis estadístico por el programa

STATGRAPHICS, se tiene que entre mayor influencia tenga la variable, la recta formada

tiene mayor longitud con respecto a la otra, así se observa que el efecto individual del

factor A correspondiente a la cantidad de quitosano es mayor al efecto B individual

correspondiente al tiempo de contacto, es decir que la cantidad removida de cromo

hexavalente va a ser mayor en función de la cantidad de biosorbente que se ocupe, que del

tiempo de contacto metal-biosorbente. Esto ocurre porque cuando la concentración de los

metales es baja es más complicada su remoción, porque los metales se encuentran

dispersos y el contacto con el biosorbente se dificulta a pesar de que haya una mayor

cantidad de sitios disponibles para la biosorción, por lo que el tiempo no es una variable de

influencia.

73

6.2.2. Biosorción de níquel. Las eficiencias obtenidas en la biosorción de níquel a altas y bajas

concentraciones llegan hasta 95,35 y 84,467 % respectivamente, indicándonos la gran afinidad

que tiene el níquel con el quitosano.

La eficiencia de biosorción se puede considerar buena, porque a la concentración de

50 mg Ni2+

/L, se llegó hasta una concentración final de 2,866 mg Ni2+

/L y a la concentración de

3 mg Ni2+

/L se llegó hasta una concentración final de 0,406 Ni2+

/L, lo que indica que el

quitosano puede remover lo suficiente para llegar casi a los valores establecidos por la norma

ambiental ecuatoriana (TULAS) de 2 mg Ni2+

/L para descargas de alcantarillado.

La eficiencia de biosorción a una concentración inicial de 50 mg/L fue mayor que a una

concentración inicial de 3 mg/L concentración en la cual es más difícil la remoción porque los

metales se encuentras más dispersos en la solución, sin embargo a ambas concentraciones se

tiene buenos resultados.

a. Níquel a altas concentraciones.

En la tabla 41 se definió que los efectos individuales de los factores A y B y la interacción

de ambos influye significativamente en la variable concentración de níquel, dado que la

interacción de AB es significativamente influyente, esta es la que gobierna el proceso,

indicándonos mediante el gráfico 10 que a una mayor cantidad de quitosano con un tiempo

de contacto mayor se tendrá una menor concentración final de níquel.

b. Níquel a bajas concentraciones.


significativamente en la variable concentración de níquel. Mediante la gráfica 11 obtenida

del análisis estadístico por el programa STATGRAPHICS, se tiene que entre mayor

influencia tenga la variable, la recta formada tiene mayor longitud con respecto a la otra,

así se observa que el efecto individual del factor A correspondiente a la cantidad de

quitosano es mayor al efecto B individual correspondiente al tiempo de contacto, es decir

que la cantidad removida de níquel va a ser mayor en función de la cantidad de biosorbente

que se ocupe, que del tiempo de contacto metal-biosorbente. Esto ocurre porque cuando la

concentración de los metales es baja es más complicada su remoción, porque los metales

se encuentran dispersos y el contacto con el biosorbente se dificulta.

74

6.2.3. Condiciones óptimas. Mediante el programa estadístico STATGRAPHICS, se logró

conocer las condiciones óptimas de la biosorción de níquel y del cromo hexavalente.

Obteniendo que a la mayor cantidad de masa (5g) y mayor tiempo ( 90 min), la concentración

final del contaminante va a ser la menor.

Sin embargo, no se produce intersección en los rangos de trabajo, es decir los resultados

obtenidos para evaluar la disminución de la concentración de los contaminantes en función de la

variables cantidad de quitosano y tiempo de contacto tiene pocos puntos en el espacio para la

determinación del punto óptimo exacto, por lo cual sería necesario evaluar más niveles de

variación.


Se evaluó al quitosano como biosorbente mediante el modelo de Langmuir y Freundlich, en los

que se obtuvo coeficientes de ajuste altos (R2>0,99), de este análisis se obtuvo que el modelo de

Langmuir tiene un R2 mayor que el modelo de Freundlich para cromo hexavalente y para

níquel.

Para la isoterma de cromo hexavalente, se tiene que el modelo de Langmuir se ajusta mejor con

un coeficiente de correlación de 0,9998 comparado con el de Freundlich de 0,9943.

Para la isoterma de níquel, se obtuvieron coeficientes de correlación similares entre los modelos

de Langmuir y Freundlich. Para establecer el modelo de mejor ajuste, se evaluó la constante de

afinidad entre el adsorbato y biosorbente (nF) que se obtuvo del modelo de Freundlich. El

parámetro nF indica que a valores entre 1 y 10, el proceso es favorable; y si es igual a la unidad

asume un comportamiento tipo Langmuir (Rodríguez, 2012, p.21). Para níquel se obtuvo un nF

de 1,04.

De este análisis se obtuvo que el modelo de Langmuir se ajusta mejor para cromo hexavalente y

para níquel, estableciendo que el quitosano como biosorbente es estructuralmente homogéneo,

donde los sitios para la biosorción son idénticos y enérgicamente equivalentes.

Mediante los modelos de biosorción, se obtuvo que para níquel la capacidad máxima de

adsorción es 108,696 mg Ni2+

/g de quitosano, mientras que para cromo hexavalente es

49,015 mg Cr6+

/g de quitosano. Es evidente que el quitosano presenta una mayor afinidad para

75

el níquel que para cromo hexavalente, a las mismas condiciones del proceso pH=7, temperatura

ambiente y 300 rpm.

6.4. Comparación entre el método tradicional y el propuesto

No se puede realizar un análisis comparativo de costos entre un método y otro, ya que el costo

método propuesto es a nivel de laboratorio, para obtener un costo más aproximado de

producción se debería realizar un escalamiento industrial para el método propuesto.

Los métodos de comparación son distintos, en la precipitación química los metales precipitan en

forma de hidróxidos, y en la biosorción los metales son retenidos en la superficie del

biosorbente, por lo tanto los insumos utilizados en cada método son diferentes y el costo va a

variar dependiendo del método, metal y concentración presente en el agua residual.

76

7. CONCLUSIONES

El método directo de obtención de quitosano, es válido y reproducible; considerando que se

obtuvo un quitosano de alta calidad con un grado de desacetilación del 80,32% que está

dentro de los rangos establecidos (70% – 95%).

En esta investigación, el quitosano mostró alta eficiencia en la remoción de níquel, con

concentraciones iniciales de 50 mg/L y 3 mg/L y se obtuvo eficiencias de biosorción de hasta

95,35 % y 86,47 % respectivamente, demostrando que el quitosano es un buen biosorbente

para aguas que tengan este metal para las condiciones estudiadas.

En cuanto al cromo hexavalente, con concentraciones iniciales de 500 mg/L y 5 mg/L se

obtuvo eficiencias de biosorción bajas de hasta 27,30 % y 46,86 % respectivamente,

concluyendo que el quitosano no es buen biosorbente para este metal.

Como demuestran los resultados estadísticos tanto en la biosorción de cromo hexavalente y

de níquel, la cantidad de quitosano es más influyente en la concentración final de las

soluciones acuosas de los metales a tratar; concluyendo así, que a medida que se incrementa

la cantidad de biosorbente, la concentración final del contaminante en el agua será menor.

Por consiguiente, la cantidad de biosorbente es el factor que va a limitar hasta cierto punto la

concentración de metal que se adsorbe.

Se comprobó que los datos experimentales de las isotermas de biosorción de cromo

hexavalente y níquel, se ajustan al modelo de Langmuir, con una capacidad de adsorción de

108,696 mg Ni2+

/g quitosano y de cromo hexavalente de 49,0196 mg Cr6+

/g quitosano. Una

alta capacidad de biosorción es aquella que supera los 100 mg/g de biosorbente (Boada,

2015, p.90), producto de este análisis se considera que el quitosano es buen biosorbente para

níquel y malo para cromo hexavalente. También esto se puede afirmar con las constantes de

Langmuir (b) que indica la energía de unión adsorbente-soluto, donde el Ni2+

adsorbe más

fuerte que el Cr6+

.

Para ambos metales, se obtuvieron eficiencias de biosorción buenas a bajas concentraciones

con valores de 84,47 % para níquel y 46,86 % para cromo hexavalente, concluyendo que el

quitosano es buen biosorbente a bajas concentraciones.

77

8. RECOMENDACIONES

Antes de proceder a la extracción de quitosano, verificar que los exoesqueletos del camarón

estén fresco, libres de olores y colores característicos de la descomposición, como manchas

verdosas, negras o decoloraciones, también es importante ver que su textura sea consistente

y no blanda, para que de esta manera no interfiera en la calidad del quitosano.

Se sugiere que en estudios posteriores con quitosano se analicen la influencia de otras

variables como: pH, tamaño de partícula, temperatura y agitación que pueden ser

determinantes en el desempeño del biosorbente.

Las aguas residuales son una mezcla de compuestos que pueden tener materia orgánica,

sales, y otros iones metálicos (Mg+2

, Ca+2

, Na), por lo que se considera importante realizar

un estudio sobre las posibles interferencias que pueden existir en aguas contaminadas con

cromo hexavalente y níquel y cómo afectaría en la capacidad de biosorción de cada uno de

estos metales pesados.

Dado que la capacidad de retención del quitosano depende del tipo de metal, se recomienda

realizar estudios del proceso de biosorción de diferentes metales pesados como: hierro,

cobre, aluminio, manganeso, zinc, etc.

El cromo en su estado de oxidación hexavalente es difícil de retirar en tratamientos de

agua, por lo cual sería de gran relevancia realizar una investigación en la cual antes del

proceso de biosorción con quitosano, el Cr6+

sea reducido a su forma más estable y no

tóxica Cr3+

.

El quitosano podría ser utilizado como un tratamiento complementario para disminución de

metales a bajas concentraciones, para el cumplimiento de normas ambientales.

78

CITAS BIBLIOGRÁFICAS

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grado. Ingeniera en Biotecnología. Escuela Politécnica del Ejército. Quito. 2010. p. 6.

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secuestrante de los metales pesados cromo (Cr) y cadmio (Cd) por taxas de mohos

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en biotecnología de los recursos naturales. Universidad Politécnica Salesiana. Quito.

2013. p. 27.

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Valencia. Departamento de Ingeniería Química. 2010. p. 9.

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[7] MARTÍNEZ de la Cuesta, Pedro y MARTÍNEZ Rus, Eloísa. Operaciones de Separación

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[8] SOLER, Op. Cit., p.27-28

[9] IZQUIERDO, Op. Cit., p. 25

79

[10] SOLER, Op. Cit., p.27

[11] IZQUIERDO, Op. Cit., p.27

[12] SOLER, Op. Cit., p.27

[13] SOLER, Op. Cit., p.23-24

[14] RESTREPO Mejía, Ana; ARANGO Ruiz, Álvaro; GARCÉS Giraldo, Fernando. La

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77_electrocoagulacion.pdf>

[15] SOLER, Op. Cit., p.33-34

[16] MARTÍNEZ y MARTÍNEZ, Op. Cit., p.118

[17] NOVILLO Kuonqui, María y VÉLEZ Inga, Carlos. Evaluación de la capacidad de

sorción de cromo en solución acuosa en contacto con un composite constituido de

bentonita y celulosa. Trabajo de grado. Ingeniero en biotecnología de los recursos

naturales. Universidad Politécnica Salesiana. Quito. 2015. p. 17.

[18] IZQUIERDO, Op. Cit., p. 35

[19] SOLER, Op. Cit., p. 37

[20] SOLER, Op. Cit., p. 49

[21] BUSTAMANTE, Elena. Adsorción de metales pesados en residuos de café modificados

químicamente. Trabajo de grado. Maestría en ciencias con orientación en procesos

sustentables. Universidad Autónoma de Nuevo León. México. 2011. p. 11.

[22] METANZA, María. Estudio de materiales adsorbentes para el tratamiento de aguas

contaminadas con colorantes. Memoria para optar al grado de doctor. Universidad

Complutense de Madrid. Facultad de Ciencias químicas. Madrid 2012. p. 21.

80

[23] Ibid., p.34

[24] GARCÉS, Luz y COAVAS, Susana. Evaluación de la capacidad de adsorción en la

cáscara de naranja (citrus sinensis) modificada con quitosano para la remoción de Cr (VI)

en aguas residuales. Trabajo de grado. Ingeniero químico. Universidad de Cartagena.

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[25] VELÁSQUEZ Lárez, Cristóbal. Algunos usos del quitosano en sistemas acuosos.

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[26] SALAZAR Araya, Andrea. Estudio de la influencia de ciertos ácidos orgánicos sobre las

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[32] VANEGAS, Op. Cit., p. 22.

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85

ANEXOS

86

ANEXO A. Obtención de quitosano por método directo

Figura A.1. Secado de las cáscaras de camarón

Figura A.2. Molino ultracentrífugo utilizado para molienda de cáscaras secas

87

Figura A.3. Desmineralización de las cáscaras de camarón

Figura A.4. Desacetilación para obtención de quitosano

88

Figura A.5. Quitosano obtenido

89

ANEXO B. Caracterización del quitosano por FTIR

Figura B.1. Espectrofotómetro infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR)

Figura B.1. Espectro del quitosano

90

ANEXO C. Biosorción de cromo hexavalente y níquel con quitosano

Figura C.1. Biosorción de cromo hexavalente

Figura C.2. Biosorción de níquel

91

ANEXO D. Isotermas de biosorción de cromo hexavalente y níquel

Figura D.1. Diferentes concentraciones para obtener la isoterma de biosorción de cromo

hexavalente

Figura D.2. Diferentes concentraciones para obtener la isoterma de biosorción de níquel

92

ANEXO E. Espectrofotómetro de absorción atómica

Figura E.1. Espectrofotómetro de absorción atómica

Figura E.2. Curva de calibración del espectrofotómetro de absorción atómica (Cromo)

93

Figura E.2. Curva de calibración del espectrofotómetro de absorción atómica (Níquel)

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