Tratamiento de aguas contaminadas mediante biosorbentes y carbones activados sintetizados a partir de un precursor lignocelulósico renovable

• Autores: Basso, María Cecilia
• Año de publicación: 2004
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Cukierman, Ana Lea
• Materia: TRATAMIENTO TERCIARIO DE AGUAS CONTAMINADAS; CARBONES ACTIVADOS; ACTIVACION QUIMICA; ADSORCION; BIOSORBENTES; MATERIALES LIGNOCELULOSICOS; BIOSORCION; WASTEWATER TERTIARY TREATMENT; ACTIVATED CARBONS; CHEMICAL ACTIVATION; ADSORPTION; BIOSORBENTS; LIGNOCELLULOSIC MATERIALS; BIOSORPTION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Se sintetizan carbones activados a partir de un precursor lignocelulósico renovable, laespecie herbácea Arundo donax l., mediante el proceso de activación química. Se emplean una solución de ácido H3PO4 como agente activante, condiciones moderadas de operación (500 °C, 0.5 h) y distintas atmósferas de activación (autogenerada, bajo flujo deaire, CO2 y N2, separadamente). Se explora sistemáticamente la incidencia de la atmósfera de activación sobre las características fisicoquímicas y texturales-morfológicasde los carbones activados resultantes y sobre su performance en la adsorción de algunosmetales pesados y compuestos orgánicos volátiles representativos, a partir de solucionesacuosas diluidas empleadas como modelo de aguas con bajas concentraciones de estos contaminantes. La activación promueve transformaciones en el precursor, que conducenal desarrollo de las redes porosas que conforman los carbones activados y de la quimicade su superficie. La atmósfera de activación incide sobre las características químicas de los carbones activados. En particular, el contenido total de los grupos funcionalesoxigenados ácidos/polarizables superficiales se incrementa conforme resultan más severas las condiciones oxidantes de la atmósfera de activación. En cambio, su influenciano resulta decisiva en el desarrollo de las matrices porosas; éstas se caracterizan poráreas específicas BET y volúmenes totales de poro similares (1100 m²/g y 1 cm³/g), yson predominantemente microporosas. El comportamiento de los carbones activados enla adsorción de las especies metálicas y orgánicas depende de la atmósfera de activaciónempleada. Las funcionalidades oxigenadas ácidas/polarizables parecen ejercer una influencia predominante sobre la adsorción de las especies metálicas, que resultafavorecida al usar los carbones con mayor contenido total de las mismas. Las muestrasobtenidas bajo flujo de aire presentan, en condiciones de equilibrio pre-establecidas, lamayor eficiencia en la remoción de las especies metálicas a partir de soluciones diluidasmonosoluto, incluso superior a la de un carbón comercial empleado como referencia. Enoposición, la capacidad de los carbones activados de adsorber los compuestos orgánicosse incrementa al disminuir el contenido total de grupos ácidos/polarizables. Para estos compuestos, los carbones sintetizados bajo flujo de N2 resultan los más efectivos. Lacinética de adsorción de las especies metálicas y orgánicas, para las muestras quepresentan la mejor performance, se describe satisfactoriamente mediante una expresióncinética de pseudo - segundo orden, mientras que las isotermas de adsorción serepresentan en forma adecuada y similarmediante modelos convencionales de dos y tresparámetros. Se determinan efectos de adsorción competitivos y diferencias en laselectividad al evaluar la performance de las mismas muestras empleando soluciones bi ytrisoluto. Además, los carbones saturados con las especies metálicas y orgánicasresultan regenerables mediante tratamientos químico y/o térmico, respectivamente,conservando prácticamente inalterada su capacidad adsortiva original. En formacomplementaria, se investiga la potencialidad de algunos materiales lignocelulósicos como biosorbentes de bajas concentraciones de metales pesados en medio acuoso. Sedeterminan las curvas de dosaje y las isotermas de sorción de los materialesseleccionados y de muestras de lignina pura, empleadas con fines comparativos, a partirde soluciones diluidas modelo. La efectividad de las muestras lignocelulósicas dependedel contenido de los biopolímeros constituyentes, encontrándose una tendencia crecienteentre la máxima capacidad de sorción, evaluada a partir de las isotermas y su modelado,y el contenido de lignina presente en las mismas. Los materiales lignocelulósicos conaltos contenidos de lignina resultan potencialmente aptos para su empleo como sorbentesalternativos de bajas concentraciones de especies metálicas a partir de agua scontaminadas.
Activated carbons are synthesized by chemical activation of a rapidly renewablelignocelullosic precursor, the herbaceous species Arundo donax l., using a solution of H3PO4 acid as activating agent, moderate process conditions (500 °C, 0.5 h) and differentactivation atmospheres (either self-generated or under a flow of air, C02 and N2,separately). The incidence of the activation atmosphere on chemical and textural-morphologicalfeatures of the resulting carbons as well as on their performance to uptakesome representative heavy metals and volatile organic compounds is systematically explored by using dilute aqueous solutions as models of wastewater with lowconcentrations of these pollutants. Activation promotes transformations in the precursor, which lead to the development of carbons porous networks and of surface chemistry. Theactivation atmosphere affects chemical features of the carbons. In particular, the totalcontent of polar or acidic oxygen functional groups developed on the carbons’ surfaceincreases as more severe the oxidation conditions of the activation atmosphere. However,its effect on the porous networks’ development is almost irrelevant. The carbons showsimilar BET surface area and total pore volume (1100 m²/g and 1 cm³/g) and aredominantly microporous. The behaviour of the activated carbons in adsorbing metallic andorganic species is found to be influenced by the activation atmosphere. The carbonsobtained under flowing air exhibit the best effectiveness to capture metal ions from dilutesingle-solute solutions, under pre-established equilibrium conditions, even superior to thatdetermined for a commercial sample used as a reference. Acidic/polar oxygen groupsseem to affect predominantly metal adsorption, taking place in a greater extent or thecarbons possessing a larger content of these functionalities. In contrast, the capability ofthe activated carbons to adsorb the organic compounds decreases as smaller the contentof acidic/polar oxygen groups. For the organic compounds, the carbons derived underflowing N2 are the most effective ones. A pseudo-second order rate expression is found torepresent properly adsorption kinetics for metal and organic species on the carbonsshowing the best performance, whereas conventional two, three-parameters modelsdescribe satisfactorily, in a similar manner, the isotherms obtained for the same systems. Adsorption competitive effects and differences in selectivity are also determined for thebest performing carbons using binary and ternary solutions. Furthermore, the spentcarbons loaded with metallic and organic species are regenerated through chemical and/orlow temperature thermal treatments, respectively, with the samples almost keeping theiroriginal adsorptive capacity. Complementary, the potential of ligno cellulosic materials asbiosorbents of low-metal concentration from aqueous environment is examined. Dosagecurves as well as biosorption isotherms are assessed using some selected materials andmodel dilute solutions. Pure lignin is additionally employed, for the sake of comparison. Effectiveness of the lignocellulosic samples depends on their content of constituentbiopolymers. An increasing trend between maximum sorption capacities, as evaluatedfrom isotherms modeling, and the lignin content of the samples is determined. Accordingly,lignocellulosic materials with larger lignin contents are found potentially adequate asalternative sorbents for metal species removal from dilute wastewater.
Fil: Basso, María Cecilia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.