Absorbente
3.1 Estudios de caso
Para los adsorbentes derivados de lodos industriales, es necesario tener en cuenta varios parámetros, como el pH, la dosis de adsorbente, la concentración de sorbato y el tiempo de contacto, que pueden influir significativamente en la eficiencia del proceso. La descontaminación del agua utilizando estos materiales ha sido estudiada ampliamente y reportada en la literatura (Devi y Saroha, 2016). En esta sección, solo se discuten los estudios de casos relativos al uso de lodos de varias industrias que comparan diferentes tipos de lodos industriales para el mismo contaminante. Se puede encontrar información detallada sobre las técnicas experimentales y los resultados en cada fuente relacionada en la lista de referencias.
El Pb, el Cd y el Cr son los principales metales pesados derivados de las actividades industriales que aparecen en altas concentraciones en las aguas residuales. El Pb, en particular, es extremadamente peligroso porque tiende a bioacumularse en la cadena alimentaria, incluso en bajas concentraciones.
Martín et al. (2005) investigaron el uso de lodos de alto horno para la eliminación de Pb, zinc (Zn) y Cd de soluciones acuosas contaminadas. Los lodos de alto horno, compuestos por óxidos de hierro y coque, son un subproducto de la industria siderúrgica. Estos autores informaron de una superficie específica de 27,4 m2/g para estos lodos, así como de una mayor afinidad por el Pb. De hecho, la adsorción de Pb osciló entre 64,2-79,9 mg/g, aumentando con el aumento de la temperatura de 20°C a 80°C, así como la adsorción de Zn y Cd, de 4,23 a 9,16 mg/g, y de 6,74 y 10,2 mg/g, respectivamente. Además, descubrieron que los lodos de alto horno adsorbían mayores cantidades de metales que las escamas de laminación, un subproducto de la misma industria siderúrgica.
Se ha informado de una eficiencia similar en la adsorción de Pb a partir del uso de lodos clarificados como adsorbente de bajo coste (Naiya et al., 2009), procedentes del espesador de lodos del horno básico de oxígeno en la producción de acero. En este caso, aunque la superficie específica era de unos 78,5 m2/g, que es mayor que la comunicada por Martín et al. (2005), la capacidad de adsorción de unos 92,5 mg/g era similar. En condiciones óptimas (es decir, un valor de pH de 5, un nivel de dosificación de adsorbente de 5 g/L y 1 h de tiempo de contacto), el porcentaje de eliminación de Pb disminuyó con un aumento de la temperatura de 30°C a 50°C.
El lodo rojo es otro subproducto industrial muy extendido que se utiliza con frecuencia como adsorbente para el tratamiento del agua. Este residuo sólido se deriva de la digestión básica del mineral de bauxita durante la producción de alúmina (Bhatnagar et al., 2011). Debido a sus fuertes propiedades básicas, el lodo rojo se utiliza a menudo para la adsorción de metales, incluyendo Pb, Cr, Cd y Zn. Santona et al. (2006) investigaron las capacidades de adsorción de Pb, Cd y Zn con lodos rojos sin tratar y tratados con ácido. El tratamiento ácido se realizó con HCl, seguido de un lavado con agua destilada. Los valores de área específica obtenidos con el lodo rojo sin tratar y tratado con ácido fueron de 18,9 m2/g y 25,2 m2/g, respectivamente. Sin embargo, la cantidad de metales adsorbidos por el lodo rojo no tratado fue mayor que la adsorbida por el lodo rojo tratado. Para ambos adsorbentes, el Zn se eliminó con mayor eficacia que el Pb y el Cd.
La aplicación de otros tratamientos al lodo rojo influyó en gran medida en la superficie. El mayor SBET, 28,0 m2/g, se obtuvo tras la activación con HCl más el calentamiento a 600°C. El valor de SBET sólo con activación de HCl fue de 20,7 m2/g, mientras que el valor más bajo, 14,2 m2/g, se obtuvo en el lodo rojo lavado sólo con agua. Una vez más, el aumento de la superficie no reflejó las capacidades de adsorción de los adsorbentes porque la máxima adsorción se alcanzó con el lodo rojo sin tratar para los tres metales investigados, Pb, Cu y Cr (Apak et al., 1998).
Un tratamiento del lodo rojo con H2O2 y aire pareció producir un ISBA eficiente, tanto en términos de adsorción (64,8 mg/g para el Pb y 35,7 mg/g para el Cr), como de superficie específica (108 m2/g) (Gupta et al., 2001). El lodo rojo también se utilizó para eliminar otros metales pesados, como los iones de Zn, de la solución acuosa (Sahu et al., 2011). El tratamiento del lodo rojo neutralizado mediante el secuestro de CO2 y la calcinación a 500°C obtuvo una capacidad máxima de adsorción de 14,9 mg/g, lo que corresponde a una capacidad de eliminación de Zn del 96%. Los autores destacaron que este método de activación mejoró la SBET, alcanzando 68,2 m2/g, que es aproximadamente el doble del valor de la superficie del lodo rojo no tratado (31,7 m2/g). Aunque los valores de la superficie específica fueron superiores a los encontrados en estudios anteriores sobre el lodo rojo, la capacidad de adsorción de Zn fue inferior a la del Pb.
Los valores bajos de adsorción de Zn, en el rango de 7 mg/g, también fueron encontrados por Mishra et al. (2013) al utilizar como adsorbente un lodo de desecho de planta siderúrgica seco. Aunque el valor de SBET (promedio de 7,5 m2/g) fue mucho menor que el encontrado por Martín et al. (2005), las capacidades de adsorción fueron comparables.
Los ABIS también se utilizan ampliamente para la eliminación de colorantes de soluciones contaminadas. Se han realizado numerosos estudios de adsorción de colorantes con ISBAs inorgánicos y orgánicos. Sin embargo, los resultados muestran que los adsorbentes industriales orgánicos son más eficientes que los inorgánicos para la eliminación de colorantes básicos o ácidos (Bhatnagar y Jain, 2005; Jain et al, 2003).
De los residuos industriales examinados por Jain et al. (2003), los lodos obtenidos de la industria de los fertilizantes eran más adecuados para eliminar colorantes básicos como la crisoidina G, el violeta de cristal y el azul de meldola que los procedentes de las plantas siderúrgicas (es decir, escoria de alto horno, polvo y lodos). Todos estos residuos se activaron sobre la base de tratamientos similares. Todos los adsorbentes mostraron una tendencia de adsorción similar para cada colorante, pero la mejor afinidad fue para el azul meldola. La máxima adsorción para este colorante fue de 170 mg/g en los adsorbentes carbonosos, 67 mg/g en los lodos de alto horno, 34 mg/g en el polvo de alto horno y 3,7 mg/g en la escoria de alto horno. Además, estos valores seguían precisamente la tendencia decreciente de la superficie de los adsorbentes (es decir, 380, 28, 13 y 4 m2/g, respectivamente).
El colorante también puede eliminarse con los lodos derivados de la fabricación de papel y celulosa. La principal ventaja de este tipo de adsorbente es el alto contenido en materia orgánica y su producción en grandes cantidades por parte de la industria papelera (Jaria et al., 2017). Aunque estos lodos pueden contener sustancias tóxicas y aditivos químicos, por lo que requieren tratamiento y activación, su reutilización como adsorbente de bajo coste parece altamente eficiente.
Tras el tratamiento de activación, este adsorbente carbonoso eliminó con mayor eficacia el colorante catiónico (azul de metileno, 263 mg/g), que el colorante aniónico (rojo reactivo, 34,3 mg/g) de la solución acuosa (Li et al., 2011). Además, la superficie específica de este adsorbente (media de 135 m2/g) obtenida tras la carbonización a bajas temperaturas y tras la activación física con vapor fue aproximadamente cinco veces mayor que la de los lodos crudos (25 m2/g). Nasr et al. (2017) demostraron que la activación química con carbonato de potasio (K2CO3), seguida de la activación física con vapor, de un lodo de papel utilizado como precursor crudo para la preparación de adsorbentes de bajo costo, logró altos niveles de eliminación del colorante azul de metileno de soluciones acuosas. En condiciones óptimas, la capacidad máxima de adsorción fue de 260 mg/g. Esto reflejó el desarrollo de las estructuras de poros obtenidas a una temperatura de activación de 900°C, lo que contribuyó a una superficie específica de 908 m2/g, unas 56 veces mayor que la del lodo de papel crudo. Bhatnagar et al. (2007) descubrieron que los tintes aniónicos son eliminados en menor cantidad que los catiónicos por los adsorbentes de los lodos de papelera. Estos resultados indicaron que, incluso después de la activación física con aire (a 500°C), la capacidad de adsorción del colorante naranja G era sólo de 62,3 mg/g. Sin embargo, la eficacia de los lodos de papelera en la eliminación de colorantes aniónicos era ligeramente inferior a la de los carbones activos comerciales. Por lo tanto, dado su bajo coste, los lodos de papelera aún pueden considerarse un adsorbente eficaz para la eliminación de colorantes del agua.
En conclusión, la adsorción de contaminantes en el caso de los ISBA depende de varios factores relacionados con el material precursor, así como de los diversos parámetros relativos al método de preparación. Estos factores deben ser estudiados para obtener una descontaminación del agua lo más eficaz posible.