cronograma y metodologia de aguas

7/23/2019 CRONOGRAMA Y METODOLOGIA DE AGUAS

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UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE QUERTARO

Nombre del Proyecto:

EVALUACIN DE LA CAPACIDAD DE REMOCIN DE ZINC

CON Eleocharis b onariensis n ees ACTIVADA TRMICAMENTE

EN UN SISTEMA DINMICO DE COLUMNAS

Empresa:

CENTRO DE GEOCIENCIAS-UNAM

CAMPUS JURIQUILLA

Memoria que como parte de los requisitos para obtener el ttulo de:

INGENIERO AMBIENTAL

Presenta:

CABALLERO GMEZ MARA DE LOS ANGELES

M. en I. Jos Ramn Prez Contreras M. en C. Mara Carolina Muoz Torres

Asesor de la UTEQ Asesor de la Organizacin

Santiago de Quertaro, Qro. Junio 2014

Universidad Tecnolgica

de Quertaro

Firmado digitalmente por Universidad Tecnolgica de Quertaro

Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnolgica de

Quertaro, o=UTEQ, ou=UTEQ, [email protected], c=MX

Fecha: 2014.06.10 13:03:07 -05'00'


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Resumen

La contaminacin del agua por metales pesados es un problema actual,

debido a la presencia de estos en las aguas residuales por la creciente

actividad industrial. Estos metales repercuten en el medio ambiente as como

en la salud de la poblacin. El estado de Quertaro tiene como principal

actividad econmica la industria, la cual es una de las principales causas de las

altas concentraciones de metales en el agua. Existen varios mtodos para la

remocin de metales pesados los cuales en su mayora son costosos y noreutilizables. Por lo tanto la biosorcin puede ser una alternativa econmica y

amigable con el medio ambiente. La planta Eleocharis bonariensis neeses una

opcin viable y de bajo costo. La planta Eleocharis bonariensis neesactivada

trmicamente es una buena opcin como biosobente con porcentajes de

remocin mayores al 90% en la fase esttica, en base a este desempeo el

propsito de este proyecto es evaluar la capacidad de adsorcin de Zn2+ en un

sistema dinmico de columnas. Las pruebas realizadas consistieron en evaluar

la influencia del flujo, altura de lecho y diferentes concentraciones de Zn2+. Los

resultados obtenidos demostraron que la planta Eleocharis bonariensis nees

activada trmicamente en un sistema dinmico tiene un buen desempeo a

una altura de 2 cm de lecho, a un flujo de 0.067 ml/min y tiene mayor

capacidad de adsorcin a concentraciones bajas 10 mg/L.

(Palabras Clave: biosorbente, metales pesados, Zn2+, remocin)


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Dedicatorias

Dedico y agradezco a Dios por permitirme lograr esta meta en mi vida

satisfactoriamente, en compaa de mis seres queridos.

Dedico a mis padres Mara de los ngeles Gmez y Antonio Caballero

por su esfuerzo, apoyo, dedicacin, su fe en m y el amor que me han dado.

Todo ello me ha ayudado a ser la persona que soy.

Dedico a mis hermanos: Marco, Esteban, Ricardo, Francisco y Benjamn

que son mis compaeros, amigos y un gran apoyo.

Dedico a mis amigos por haberme apoyado e impulsado a seguir adelante

en momentos difciles y que vivieron conmigo el esfuerzo de realizar una meta

ms en mi vida.


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Agradecimientos

Agradezco a la M. en C. Ma. Carolina Muoz Torres, del Centro de

Geociencias de la UNAM, por su paciencia, enseanza, dedicacin, y la

asesora que me brind a lo largo de este proyecto. Por ser una persona con

mucho carisma, calidez humana y que me dio la oportunidad de sentirme en

casa en CGEO.

Agradezco a la Dra. Marina Vega Gonzlez, del Centro de Geociencias

de la UNAM por su ayuda y asesora, que me brindo a lo largo de este

proyecto. As como su paciencia y enseanza.

Agradezco a M. en I. Jos Ramn Prez Contreras de la UTEQ por su

apoyo, tiempo, enseanza y asesora a lo largo de este proyecto.


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NDICE

Resumen ........................................................................................................................................ 2Summary..3

Dedicatorias ................................................................................................................................... 4

Agradecimientos ............................................................................................................................. 5

ndice .............................................................................................................................................. 6

ndice de tablas y figuras ............................................................................................................... 9

I. INTRODUCCIN ..................................................................................................................... 11

II. ANTECEDENTES ................................................................................................................... 12

III. JUSTIFICACIN ..................................................................................................................... 15IV. OBJETIVOS ........................................................................................................................... 16

4. 1 Objetivos especficos ................................................................................................... 16

V. ALCANCES ............................................................................................................................. 17

VI. ANLISIS DE RIESGOS ....................................................................................................... 18

VII. FUNDAMENTACIN TERICA ........................................................................................... 20

7.1 Plantas Acuticas (macrfitas) .................................................................................... 20

7.2 Identificacin Taxonmica ............................................................................................. 22

7.3 Los metales pesados en el medio ambiente.............................................................. 237.4 Zinc .................................................................................................................................. 24

7.4.1 Zinc como elemento traza ...................................................................................... 24

7.4.2 Deficiencia de zinc .................................................................................................. 25

7.4.3 Exceso de zinc ......................................................................................................... 25

7.4.4 Dosis y vas de exposicin.................................................................................... 26

7.4.5 Metabolismo ............................................................................................................. 27

7.4.6 Presencia en el medio ambiente........................................................................... 28

7.5 Mtodos para remocin de metales pesados ............................................................ 29

7.5.1 Mtodos disponibles para la remocin de metales pesados del agua........... 30

7.5.2 smosis Inversa ...................................................................................................... 30

7.5.3 Electrodilisis ........................................................................................................... 31


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7.5.4 Adsorcin .................................................................................................................. 31

7.5.5 Biosorcin ................................................................................................................. 32

7.6 Activacin ......................................................................................................................... 32

7.6. 1 Activacin qumica ................................................................................................. 327.6.2 Activacin trmica ................................................................................................... 33

7.7 Experimentos Batch ....................................................................................................... 33

7.8 Volumen poral ................................................................................................................. 33

7.9 Curva de breakthrough .................................................................................................. 35

7.9.1 Lecho fijo ................................................................................................................... 35

7.9.2 La extraccin en fase slida .................................................................................. 36

7.9.3 Curva de saturacin ................................................................................................ 38

7.9.4 Curvas BTC .............................................................................................................. 40

7.10 Carbn Activado .......................................................................................................... 43

7.11 Espectrofotometra de Absorcin Atmica ............................................................... 44

VIII. PLAN DE ACTIVIDADES ..................................................................................................... 45

IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS ............................................................................ 46

X. DESARROLLO DEL PROYECTO ........................................................................................... 48

10.1 Ubicacin del sitio de colecta de la planta. .............................................................. 48

10.2 Preparacin de la muestra .......................................................................................... 4910.2.1 Lavado y trozado ................................................................................................... 49

10.2.2 Secado, molienda y tamizado de la muestra.................................................... 50

10.2.3 Activacin trmica de la muestra........................................................................ 51

10.3 Preparacin de Estndares ........................................................................................ 52

10.4 Columnas ....................................................................................................................... 53

10.4.1 Influencia del caudal ............................................................................................. 54

10.4. 2 Influencia de la altura del lecho ......................................................................... 54

10.4.3 Influencia de la concentracin............................................................................. 54

10.5 Anlisis en Espectrofotometra de Absorcin Atmica........................................... 58

XI. RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................................................ 60

11.1 Influencia del flujo en la adsorcin del metal ........................................................... 61


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11.2 Influencia de la altura del lecho en la adsorcin del metal.................................... 65

11.3 Influencia de la concentracin del metal influente................................................... 68

XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................ 72

XIII. ANEXOSXIV. BIBLIOGRAFA


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NDICE DE TABLAS Y FIGURAS

Tabla 1. Etapas del proyecto. .................................................................................................. 17

Figura 1. Eleocharis bonariensis nees ................................................................................... 22

Figura 2. Representacin esquemtica del desplazamiento de la zona de adsorcin y lacurva de saturacin resultante. ............................................................................................... 39

Figura 3. Dispersin Longitudinal de una Curva Breakthrough Tpica............................. 41

Figura 4. Curva Breakthrough por flujo pistn...................................................................... 42

Figura 5. Curvas tpicas de Breakthrough y procesos fundamentales por los cuales serealiza el movimiento del contaminante en medios porosos.............................................. 43

Figura 6. Plan de Actividades del Proyecto. ......................................................................... 45

Tabla 2. Recursos Materiales y Equipo. ................................................................................ 47

Figura 7. Laguna de San Bartolom ...................................................................................... 48

Figura 8. Secado y molienda de la muestra. ....................................................................... 50

Figura 9 .Tamizador Ro-Tap, RX-29. Muestra a 49m de tamao de partcula........... 51Figura 10.Secado de la muestra en Horno y Activacin Trmica en Mufla.................... 51

Figura 11. Pruebas trmicas: muestra tratada a 200C, muestra activada a 400C. ..... 52

Figura 12. Estndares de Zn2+y Conductmetro ORION 2900A....................................... 53

Figura 13. Mangueras GE, ID 0.64 mm. Bomba peristltica ISMATEC.......................... 54

Figura 14. Determinacin experimental de los flujos........................................................... 55

Figura 15. Columna con muestra. .......................................................................................... 55

Figura 16. Columna montada............................................................................................... 56

Figura 17. Sistema de columnas, imagen frontal................................................................. 56

Figura 18. Sistema de columnas, Imagen lateral................................................................. 57

Figura 19. Espectrofotmetro de Absorcin Atmica (AAS) Perkin Elmer Analyst 300.59

Figura 20. Frascos de muestras a analizar........................................................................... 59

Tabla 3. Caractersticas de las diferentes columnas para adsorcin de Zn2+, (Vp=volumen poral). .......................................................................................................................... 61

Grfica 1. Influencia del Flujo en la adsorcin de Zn2+ (10 mg/L), con una altura de2cm. ............................................................................................................................................. 62

Grfica 2. Influencia del Flujo en la adsorcin de Zn2+ (30 mg/L), con una altura de2cm. ............................................................................................................................................. 63Grfica 3. Influencia del Flujo en la adsorcin de Zn2+ (50 mg/L), con una altura de2cm. ............................................................................................................................................. 64

Grfica 4. Influencia de la altura del Lecho en la adsorcin de Zn2+(10mg/L), con unflujo de 0.067 ml/min. ................................................................................................................ 65Grfica 5. Influencia de la altura del Lecho en la adsorcin de Zn2+(30mg/L), con unmismo flujo de 0.067 ml/min. ................................................................................................... 66


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Grfica 6. Influencia de la altura del Lecho en la adsorcin de Zn2+(50mg/L), con unmismo flujo de 0.067 ml/min. ................................................................................................... 67

Grfica 7. Influencia de Diferentes concentraciones de Zn2+a 1cm de altura y un flujode 0.067 ml/min. ........................................................................................................................ 68

Grfica 8. Influencia de Diferentes concentraciones de Zn2+

a 2cm de altura y un flujode 0.067 ml/min ......................................................................................................................... 69Grfica 9. Influencia de Diferentes concentraciones de Zn2+a 2cm de altura y un flujode 0.138 ml/min ......................................................................................................................... 70

Tabla 4. Prueba BET a 200C y 400C. ............................................................................... 71


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I. INTRODUCCIN

Quertaro es un estado donde su principal actividad es la industria por lotanto es importante poner atencin a la contaminacin que se genera de dicha

actividad. La industria genera grandes cantidades de aguas residuales con altas

concentraciones de diferentes metales, los cuales no son de fcil remocin. Por

ello se estn buscando alternativas para el tratamiento de estos metales en el

agua. Opciones como la biosorcin de metales pesados por macrfitas estn en

auge, debido a que las plantas son de fcil obtencin y el costo de su

tratamiento es econmico. En el presente proyecto se pretende evaluar la

capacidad de remocin de Zn2+ con Eleocharis bonariensis nees activada

trmicamente en un sistema dinmico de columnas. El proyecto se realiza en

Geociencias en la UNAM campus Juriquilla. Al haberse estudiado con

anterioridad el desempeo de esta planta en fase esttica (Caballero, 2012). Se

realiza este proyecto para conocer la viabilidad de este mtodo en un sistema

dinmico que a gran escala podra adecuarse a una planta de tratamiento de

aguas residuales, como un biofiltro con biomasa de Eleocharis bonariensis nees

activada trmicamente.


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II. ANTECEDENTES

La actividad industrial genera un gran impacto ambiental, con los

contaminantes y residuos que genera: aguas residuales, polvo y gases.

Contribuyendo a la contaminacin de agua, suelo y aire del entorno.

Quertaro es una de las ciudades mexicanas con mayor crecimiento

industrial. Actualmente, cuenta con ms de diez parques industriales

importantes, sede de empresas de la industria automotriz y aeronutica. De

acuerdo con la Secretara de Desarrollo Sustentable de Quertaro (Sedesu), en

el estado se han instalado ms de 100 empresas nuevas desde 2010,

destacando los sectores automotriz, aeronutico, alimentos y tecnologas de la

informacin. (Metalmecnica, 2012)

Se ubica en el octavo lugar en cuanto a produccin de la industria

fundidora a nivel nacional segn la Sociedad Mexicana de Fundidores. La

entidad produce 4.9% de las piezas fundidas en el pas, que abastecen

principalmente al sector automotriz, de acuerdo al censo que realiza

actualmente dicho organismo. (Vargas, 2013)

En nuestro pas, la descarga de metales pesados est determinada por la

NOM-001-SEMARNAT-1996 que establece los lmites mximos permisibles de

contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes

nacionales. Establece como metales pesados y cianuros: Aquellos que, en


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concentraciones por encima de determinados lmites, pueden producir efectos

negativos en la salud humana, flora o fauna. En lo que corresponde a esta

Norma Oficial Mexicana solo se consideran los siguientes: arsnico, cadmio,cobre, cromo, mercurio, nquel, plomo, zinc y cianuros (SEMARNAT, 1996)

Es frecuente el uso del zinc en la industria. Se usa en la produccin de

aleaciones resistentes a la corrosin y latn, y para galvanizar productos de

acero y hierro. El xido de zinc, utilizado en el caucho como un pigmento

blanco, por ejemplo, es el compuesto ms utilizado ampliamente. El zinc

peroral, es usado ocasionalmente para tratar la deficiencia de zinc en los

humanos. Los carbamatos de zinc se usan como plaguicidas. (Elinder, Friberg,

& Nordberg, 1986)

Las sales de zinc causan turbidez cuando estn presentes en grandes

cantidades en el agua. El zinc se puede eliminar del agua por diferentes

mtodos. Para lograr un nivel con estndares legales, se pueden aplicar

tcnicas como coagulacin, intercambio inico y carbn activado. La filtracin

por arena puede ser, en algunos casos, una excelente solucin, lo que incluye

tambin los humedales artificiales. (Lenntech, 2009).

Es necesario el tratamiento para las aguas contaminadas con metales

pesados, ya que estos son bioacumulados por los peces, las algas y otras

plantas en los ecosistemas acuticos y permanecen disueltos en el agua.


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Los diversos mtodos utilizados para la remocin de metales pesados en

general son costosos y representan otro desecho a tratar, con el uso de las

macrfitas se busca adems de la adsorcin, la desorcin del metal paradescontaminar la planta y prevenir la generacin de un desecho con que

requiera tratamiento especial. En los ltimos aos se ha incrementado el uso

de plantas acuticas tanto vivas como desecadas para remover metales

pesados del agua. El uso de plantas acuticas secas, no vivas, para remocin

de metales como un material adsorbente simple, presenta ventajas por su alta

eficiencia en eliminar txicos diluidos de aguas contaminadas y de ser

amigables con el medio ambiente para su tratamiento. (Fernndez & Prez,

2008)

Se han hecho diversos estudios con varias especies de macrfitas con

gran efectividad en la adsorcin de metales pesados. La Eleocharis bonariensis

neesha tenido altos porcentajes de remocin de Zn2+mayores al 98% debido a

su activacin trmica que aumenta su rea superficial y su capacidad de

adsorcin en medios estticos, segn los resultados de experimentos batch.

(Caballero, 2012). Las experiencias en columnas con plantas muertas sin

activacin trmica realizadas satisfactoriamente con la Eleocharis acicularis,

sonuna buena opcin para aguas contaminadas con Cd2+y Zn2+. Siendo su

porcentaje de retencin de 80% para Cd2+ y 75% para Zn2+. Los resultados

obtenidos son comparables a los obtenidos por el uso de resinas comerciales

(0.4 a 5 meq g-1) y por otras biomasas. (Muoz, 2007)


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III. JUSTIFICACIN

En la actualidad la problemtica de la contaminacin del agua por

metales pesados en la regin debido a la actividad industrial requiere

soluciones econmicas, accesibles y viables.

Debido al uso comn del zinc en la industria para la galvanizacin de

acero, la fabricacin de piezas de latn, laaleacin para piezas de fundicin,

as como el desgaste en tuberas, genera su presencia en el agua ocasionando

su contaminacin. El zinc, al ser un metal pesado, requiere un tratamiento

especial mediantemtodos costosos.

El uso de la planta Eleocharis bonariensis neesactivada trmicamente

para la remocin de zinc en aguas contaminadas es una buena opcin, ya que

es una planta que se encuentra en la regin y su activacin trmica no es

costosa.

La finalidad de este proyecto es proponer una alternativa para el

tratamiento de aguas contaminadas con Zinc en un sistema dinmico.


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IV. OBJETIVOS

Calcular la capacidad de adsorcin de Zn

2+

por la macrfita Eleocharisbonariensis nees activada trmicamente en un sistema dinmico, utilizando

columnas bajo condiciones de laboratorio.

4. 1 Objetivos especficos

Evaluar la capacidad de adsorcin de Zn2+ por la macrfita Eleocharis

bonariensis nees activada trmicamente en un sistema dinmico a

diferentes concentraciones de Zn2+.

Evaluar la capacidad de adsorcin de Zn2+ por la macrfita Eleocharis

bonariensis nees activada trmicamente en un sistema dinmico a

diferentes velocidades de flujo.


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V. ALCANCES

Realizar pruebas para encontrar las condiciones ptimas de desempeo

para la remocin de Zn2+ con Eleocharis bonariensis nees activada

trmicamente, en un sistema dinmico utilizando columnas de lecho fijo con

flujo continuo. Para obtener el caudal, la concentracin de metal donde hay

mayor remocin, la altura del lecho y la dosis de biomasa. En el periodo

comprendido de Enero a Abril de 2014.

Etapa Actividades Descripcin Tiempo

Preparacin de la

Muestra

SecadoSecar la muestra a una temperatura de

100C por 2 horas.

15 dasMolienda

Moler en molino de granos y tamizar a untamao de partcula de 149 m aprox.

ActivacinTrmica

Activar la muestra por 2 horas a 200C enel horno. Activar muestra a 400C encrisoles de porcelana, en una mufla.

Desarrollo Experimental

Compactacin

Pruebas de compactacin de la muestra,para encontrar el tamao de lecho y ladosis, buscando el punto donde no ocurrala fragmentacin de la columna.

5 das

ColumnasPruebas de columnas con diferentesdosis de muestra, velocidades yconcentraciones de Zn2+.

30 das

Anlisis y ResultadosAnlisis Analizar las muestras porespectrofotometra de absorcin atmica. 8 das

ResultadosInterpretacin de Datos, clculos yResultados. 8 das

Tabla 1. Etapas del proyecto.


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VI. ANLISIS DE RIESGOS

En los proyectos de investigacin siempre se presentarn situaciones

fortuitas que son difciles de predecir, dado que precisamente en este caso se

busca caracterizar un material como adsorbente y evaluar su capacidad de

remocin de metales en solucin bajo diferentes condiciones de laboratorio. En

este proyecto se depende del comportamiento de la biomasa activada

trmicamente, para planear el siguiente paso del proceso de caracterizacin, lo

cual limita para planear toda la fase experimental de una manera precisa. Entre

los factores que se han presentado hasta el momento est la poca cantidad de

muestra de la Eleocharis bonariensis nees esto ocasiona atrasos porque hay

que volver a caracterizar la planta y hacerle un tratamiento para tener ms

cantidad de muestra. Se tena poca ya que debido al proceso de calcinacin la

muestra se reduce hasta una cuarta parte de su peso. El trabajo realizadocomenz desde la preparacin de la muestra, consistente en: secado, tamizado

y activacin trmica, mediante un proceso de calcinacin realizado en los

laboratorios de la UTEQ, debido a que cuenta con una mufla ms grande y

eficiente que la existente en el Centro de Geociencias. Se requiri un tiempo

considerable para obtener una cantidad suficiente de la muestra activada a

400C. Otro factor fue que debido al estado de calcinacin de la planta fue

difcil su compactacin y estabilidad en las columnas, por lo que fue necesario

realizar muchas pruebas. Al desconocer el comportamiento de la muestra en el


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sistema dinmico de columnas, se esperaba su saturacin despus de una

semana de prueba, sin embargo, se dio en los primeros dos das, lo cual

ocasion un gasto innecesario de estndar y desperdicio de tiempo pararealizar ms pruebas ya que el experimento se detuvo despus de ms de una

semana. El factor principal es el tiempo debido a que el perodo de estada de

un cuatrimestre es muy corto para abarcar todos los aspectos que se

pretendan llevar a cabo.


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VII. FUNDAMENTACIN TERICA

Las macrfitas crecen en lugares como presas, bordos y humedales. Al

ser plantas semiacuticas tienen como caracterstica la absorcin de sus

nutrientes y el agua que necesitan para sus funciones vitales, a travs de sus

races. (Fernndez & Prez, 2008)

7.1 Plantas Acuticas (macrfitas)

Constituyen formas macroscpicas de vegetacin acutica. Comprendenlas macroalgas, las pteridofitas (musgos, helechos) adaptadas a la vida

acutica y las angiospermas. Presentan adaptaciones a este tipo de vida tales

como: cutcula fina, estomas no funcionales, estructuras poco lignificadas.

Las macrfitas pueden clasificarse segn la forma de fijacin en:

1. Macrfitas fijas al sustrato

Macrfitas emergentes: en suelos anegados permanentes o

temporalmente; en general son plantas perennes, con rganos

reproductores areos.

Macrfitas de hojas flotantes: principalmente angiospermas; sobre suelosanegados. Los rganos reproductores son flotantes o areos.


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Macrfitas sumergidas: comprenden algunos helechos, numerosos

musgos y carofitas y muchas angiospermas. Se encuentran en toda la

zona ftica (a la cual llega la luz solar), aunque las angiospermasvasculares slo viven hasta los 10 m de profundidad aproximadamente.

Los rganos reproductores son areos, flotantes o sumergidos.

2. Macrfitas flotantes libres presentan formas muy diversas, desde

plantas de gran tamao con roseta de hojas areas y/o flotantes y con

races sumergidas bien desarrolladas, a pequeas plantas que flotan en

la superficie, con muy pocas races o ninguna. Los rganos

reproductores son flotantes o areos pero muy raramente estn

sumergidos. (Margalef, 1991)

La planta Eleocharis bonariensis nees es la planta que se utiliz en los

experimentos de columnas. El muestreo de la planta se realiz en la Laguna de

San Bartolom (municipio de San Bartolom de los Baos colindante a

Quertaro).


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7.2 Identificacin Taxonmica

Figura 1. Eleocharis bonariensis nees.Fuente: Elaboracin propia.

Reino: Plantae

Phylum: Magnoliophyta

Clase: Liliopsida

Orden : Cyperales

Familia: Cyperaceae

Gnero: Eleocharis

Epteto especfico: bonariensis

Nombre Cientfico: Eleocharis bonariensis Nees

Autor del nombre: Nees, 1840 (UNAM, 2008).


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7.3 Los metales pesados en el medio ambiente

El trmino metal pesado se refiere a cualquier elemento qumico metlico

que tenga una relativa alta densidad y sea txico o venenoso en

concentraciones bajas. Los ejemplos de metales pesados incluyen: el mercurio

(Hg), el cadmio (Cd), el arsnico (As), el cromo (Cr), el talio (Tl), y el plomo

(Pb). Los metales pesados son componentes naturales de la corteza terrestre.

No pueden ser degradados o destruidos y se incorporan a nuestros cuerpos va

elalimento, el agua potable y el aire. Existen los elementos traza que incluyen

algunos metales pesados (ej. cobre, selenio, zinc) que son esenciales en el

metabolismo del cuerpo humano. Sin embargo, en concentraciones ms altas

pueden conducir al envenenamiento. El envenenamiento por metal podra

resultar, por ejemplo, de la contaminacin del agua potable (ej. tuberas del

plomo), las altas concentraciones en el aire cerca de fuentes de emisin, o

producto de la cadena alimenticia. (Lenntech, 2011)

Los metales pesados son peligrosos porque tienden a bioacumularse. La

bioacumulacin significa un aumento en la concentracin de un producto

qumico en un organismo biolgico en un cierto plazo, comparada a la

concentracin del producto qumico en el ambiente. Los metales pesados

pueden entrar en un abastecimiento de agua por medio de residuos industriales

quese depositan en corrientes, lagos, ros, etc. (Lenntech, 2011)


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7.4 Zinc

El zinc es un elemento comn en la corteza de la Tierra. En su forma

elemental o pura, el zinc es un metal blanco azulado y brillante, en polvo es

explosivo y puede estallar en llamas si se almacena en lugares hmedos. Un

uso comn del zinc es en el proceso de galvanizado, el cual ayuda a evitar la

oxidacin y corrosin de materiales. Tambin se utiliza para la fabricacin de

pilas secas. Puede combinarse con otros elementos, tales como el cloro, el

oxgeno y el azufre, para formar compuestos de zinc. Los compuestos de zinc

que pueden encontrarse en sitios de desechos peligrosos son: el cloruro de

zinc, el xido de zinc, el sulfato de zinc y el sulfuro de zinc. Los compuestos de

zinc son utilizados por la industria como ingredientes de algunos productos

comunes, como: suplementos vitamnicos, bloqueadores solares, ungentos,

desodorantes, productos anti-acn, etc. (ATDSR, 2006).

7.4.1 Zinc com o elemento traza

Las funciones del zinc en el organismo como elemento traza son:

participa en la sntesis de cido desoxirribonucleico (ADN) y ribonucleico (ARN);

es un estabilizador de polisomas y de la membrana celular; ayuda a la

cicatrizacin; juega un papel importante en el sistema inmunolgico, su

deficiencia disminuye el nmero de linfocitos T; en la maduracin sexual su


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deficiencia disminuye la produccin de la hormona LH, FSH y testosterona, es

esencial para el crecimiento y desarrollo del ser humano.

7.4.2 Defici enc ia de zinc

La deficiencia se presenta en pacientes con enfermedad renal crnica,

cirrosis del hgado, esferocitosis, prdidas de fluidos intestinales o por defecto

gentico (acrodermatitis enteroptica). El zinc dietario es interferido en su

absorcin por fitatos, sales de hierro y cobre. Los sntomas clnicos de la

deficiencia son mltiples e incluyen: retardo en el crecimiento, hipogonadismo

en el varn, cambios en la piel, anorxica, letargia mental y cicatrizacin

retardada.

7.4.3 Exceso de zinc

Toxicidad aguda: nuseas, vmito, sabor metlico, molesticas

epigstricas y erosiones gstricas.

Concentraciones sricas elevadas: disfuncin de linfocitos T,

disfuncin fagoctica, elevacin de la tasa LDL/HDL en suero. (Mora,

2002)


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7.4.4 Dos is y vas de expos ic in

Las RDA (Recommended Dietary Allowances) establecen que una

ingesta de 15 mg/da, es adecuada para adolescentes y hombres adultos,

mientras que consideran adecuado el consumo de 12 mg/da para adolescentes

y mujeres adultas. Si las dosis altas de zinc (10-15 veces mayor que el

recomendado) se toman por va oral, incluso por poco tiempo, provoca

calambres estomacales, nuseas y vmitos. La EPA, para el agua de

consumo humano, marca como lmite mximo de 5 mg L-1

para que no sea

modificado el sabor.

Los alimentos pueden contener niveles de zinc que van

aproximadamente de 2 partes por milln de zinc 2 ppm (por ejemplo, hojas

verduras) a 29 ppm (carnes, pescados, aves de corral). El zinc tambin est

presente en el agua potable. El agua potable u otras bebidas pueden contener

altos niveles de zinc si se almacenan en recipientes de metal o fluyen a travs

de tuberas que han sido revestidas con zinc para resistir la corrosin.

El aire cerca de zonas industriales podra tener altos niveles de zinc.

Trabajos donde las personas estn expuestas al zinc incluyen: la minera, la

fundicin y soldadura, la fabricacin de latn, bronce, zinc o de otro tipo-

aleaciones, la fabricacin de metales galvanizados, y la fabricacin de piezas

de maquinaria, caucho, pintura entre otros.


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La Administracin de salud y seguridad ocupacional (Occupational Safety

and Health Administration-OSHA) recomienda como lmite a la exposicin 1

mg/m para el cloruro de zinc y 5 mg/m para el xido de zinc (polvos y humos)en el lugar de trabajo durante 8 horas al da y 40 horas a la semana. El Instituto

Nacional para la Seguridad Ocupacional y Salud (The Nacional Institute for

Occupational Safety and Health-NIOSH) ha recomendado las mismas normas

para 10 horas al da. (ATDSR, 2006)

7.4.5 Metabol ismo

El zinc puede entrar al cuerpo a travs del tracto digestivo cuando se

comen alimentos o se bebe agua que lo contenga. Tambin puede entrar a

travs de los pulmones si se inhala polvo o humos de fundicin o de soldadura

de zinc. La cantidad que pasa directamente a travs de la piel es relativamente

pequea. La ruta ms probable de exposicin cerca de los sitios de desecho es

a travs del agua potable que lo contiene en grandes concentraciones. Es

almacenado en todo el cuerpo, su cantidad aumenta en la sangre y en los

huesos ms rpidamente despus de la exposicin; puede durar varios das en

los huesos despus de la exposicin. Normalmente, abandona el cuerpo en la

orina y las heces (ATDSR, 2006).


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7.4.6 Presencia en el medio am biente

La mayora de zinc entra al medio ambiente como resultado de la

minera, la produccin de acero, carbn, y la incineracin de residuos; estas

actividades pueden aumentar sus niveles en la atmsfera. El aumento del nivel

de zinc en el suelo se debe principalmente a la eliminacin de desechos de las

industrias de fabricacin del metal y a la ceniza del carbn de las centrales

elctricas; los lodos y los fertilizantes tambin contribuyen a este aumento. En

el aire est presente en forma de granos de polvo fino; este polvo

eventualmente se deposita en la tierra y el agua. La mayor parte del zinc en los

lagos o ros se deposita en el fondo. Sin embargo, una pequea cantidad puede

permanecer disuelta en cualquier agua o como partculas finas en suspensin.

El nivel de zinc disuelto en el agua puede aumentar a medida que la acidez del

agua aumenta. Los peces pueden absorberlo en sus cuerpos al nadar o a

travs de los alimentos que consumen. La mayor parte del zinc se fija al suelo

y no se disuelve con el agua. Sin embargo, dependiendo del tipo de suelo,

podra alcanzar las aguas subterrneas. (ATDSR, 2006)


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7.5 Mtodos para remocin de metales pesados

Los procesos de tratamiento empleados para la remocin del Zn

2+

utilizan la precipitacin qumica. El Zn2+es un metal anftero cuya solubilidad se

incrementa a pH bajos y altos. Para su tratamiento por medio de clarificacin

y/o filtracin se requiere la determinacin del valor ptimo de pH para cada tipo

de agua y la remocin previa de los slidos suspendidos. La naturaleza posee

procesos propios para controlar los metales, tales como: la adsorcin, seguida

de la volatilizacin y la bioacumulacin. La adsorcin se presenta cuando se

encuentra el metal en forma soluble y esta ocurre debido a las diferentes cargas

elctricas entre el metal (carga +) y la materia orgnica, o bien, cuando el metal

se encuentra en forma insoluble (coloidal o floculada) y se adsorbe sobre

materia orgnica por efecto de la coprecipitacin. La toxicidad para una

concentracin dada de metal pesado presente en ros, canales, etc., depende

del pH y de las cantidades disueltas, as como del carbono suspendido, ya que

las interacciones del tipo complejacin y adsorcin, pueden eliminar parte de

los iones metlicos de la actividad biolgica potencial. (Jimnez , 2001)


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7.5.1 Mtodos dis po nib les para la remoc in de metales

pesados d el agua

Intercambio inico

smosis inversa

Electrodilisis

Precipitacin

Adsorcin

Estos mtodos presentan eficiencias diferentes para los distintos metales

y pueden tener importantes costos, especialmente cuando se trata de grandes

volmenes, bajas concentraciones y altos estndares de remocin. (Baird,

2001)

7.5.2 sm os is Invers a

El agua es forzada bajo presin a pasar por una membrana que los

iones no pueden atravesar. Se coloca en el trayecto del agua contaminada; est

constituida de materia orgnica polimrica, como el acetato de celulosa o

triacetato de celulosa. La capa superficial de la membrana midealrededor de

0,2 m de espesor y es relativamente no porosa en comparacin con el resto

de la estructura. Puesto que slo puede pasar el agua a travs de los poros, el

lquido en el otro lado de la membrana es agua pura. Por otro lado, la disolucin


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contaminada se va haciendo cada vez ms concentrada en la sal y finalmente

se descarta. En agua contaminada, es til para eliminar iones alcalinos y

alcalinotrreos, as como sales de metales pesados. (Baird, 2001)

7.5.3 Electrodilisis

Se disponen verticalmente y alternativamente en una celda elctrica,

una serie de membranas: unas permeables slo a pequeos cationes

inorgnicos y otras permeables solo a pequeos aniones inorgnicos. Se aplica

una corriente continua a travs del agua, de manera que los cationes migran

hacia el ctodo y los aniones hacia el nodo. El lquido en zonas alternas, se

hace ms concentrado (se enriquece) o menos concentrado (se purifica) en

iones; en el ltimo trmino, el agua concentrada puede disponerse como

salmuera y el agua purificada se vierte al medio ambiente. (Baird, 2001)

7.5.4 Adso rc in

Es la acumulacin preferencial de una substancia en una fase lquida o

gaseosa sobre la superficie de un slido. Todos los slidos tienen la propiedad

de fijar (adsorber) en su superficie las molculas, tomos o iones que se

encuentren a su alrededor. Se define adsorbato como la substancia que se fija

sobre el adsorbente. Adsorbente es la superficie sobre la cual se fija el

adsorbato. (Jimnez & Soto, 2006)


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7.5.5 Bio so rcin

El trmino de biosorcin se utiliza para referirse a la atraccin de metales

en solucin acuosa llevada a cabo por la biomasa de una macrfita muerta, a

travs de mecanismos fisicoqumicos como la adsorcin o intercambio inico.

(Muoz, 2007).

7.6 Activacin

En algunos casos la biomasa requiere un tratamiento para adquirir

mayor rea superficial y tener mayor capacidad de adsorcin. Se puede obtener

por medio de dos mtodos: activacin trmica y activacin qumica.

7.6. 1 Ac tiv acin q um ica

El precursor se hace reaccionar con un agente qumico activante a

temperaturas que pueden variar entre 450 y 900C. En este tipo de activacin

es necesaria una etapa posterior de lavado para eliminar los restos de agente

activante. Los compuestos que pueden ser usados como agentes activantes

ms usados industrialmente son: el cloruro de zinc, el cido fosfrico, el

hidrxido de potasio y cido sulfrico. (Pea, 2010)


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7.6.2 Ac tiv ac in trm ica

La activacin trmica consta de varias etapas; Pretratamiento: la

molienda y el tamizado para obtener un tamao adecuado del precursor. El

material de partida es molido hasta obtener el tamao deseado. De esta forma

se consigue una mejor porosidad en el resultante. Al aplicar calor se obtienen

partculas ms pequeas cubriendo mayor superficie. (Pea, 2010)

7.7 Experimentos Batch

Una masa conocida de slido (macrfita) se mezcla y se deja equilibrar

con un volumen conocido de solucin (de soluto conocido). Despus de un

tiempo determinado en el que se alcanz el equilibrio, el slido y la solucin se

separan y se mide la concentracin del soluto en la solucin obtenida (Muoz,

2007).

7.8 Volumen poral

El volumen poral (Vp) se define como el espacio del solido ocupado por

aire y/o agua en un volumen determinado de slidos. Es la relacin entre el

volumen de la columna y la porosidad () del material adsorbente. Vp= V/


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Se calcula

Vp=F*t

Donde

F: velocidad de flujo en ml min-1

T: tiempo que tarda el agua en recorrer la altura de lecho en minutos.

La cantidad de metal adsorbida madsse determina por balance de masa:

mads= Cf(Ve-Vp)-CidV

Dnde:

Ci: concentracin del metal adsorbente en la solucin influente (mgL-1)

Cf: concentracin de metal en el efluente de la columna (mgL-1)

Ve: volumen hasta que la concentracin C falcance el valor Ci(mL)

Vp: volumen de poro


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El factor de retencin (R) es una medida de la adsorcin y representa el

factor por el cual la movilidad del metal se retarda respecto del movimiento del

agua debido a su adsorcin por el slido , R puede ser calculado como:

La eficiencia del proceso de retencin se puede calcular por medio del %

de retencin, de la siguiente ecuacin.

7.9 Curva de breakthrough

7.9.1 Lech o fi jo

El sistema de lecho fijo consiste en una columna donde el biosorbente

granulado se deposita en su interior como un lecho, que normalmente no se

mueve, el lquido atraviesa la columna en sentido ascendente o descendente. El

granulado del biosorbente ha de tener un tamao adecuado para evitar una

presin excesiva a lo largo de la columna, si bien hay que tener en cuenta que

partculas demasiado grandes provocan un descenso en la superficie til del

biosorbente, haciendo que la difusin intraparticular se vea limitada. En el caso


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de flujo descendente, en la parte superior del lecho se encuentra la mayor

concentracin en el lquido por lo que el biosorbente se satura primero ah.

(Tenorio, 2006)

7.9.2 La extr acc in en fase slida

Este proceso es utilizado para la limpieza de muestras adsorbiendo

impurezas usando columnas. En l se sigue el mismo principio que se trabaja

en el sistema de columnas para remocin de metales pesados.

La extraccin en fase slida es un proceso, mediante el cual cantidades

traza de analito son selectivamente capturadas, separadas y concentradas a

partir de volmenes relativamente grandes de muestras lquidas, gaseosas o

extractos. En esta tcnica se hace pasar la muestra a travs de un sorbente de

fase slida que tiene la capacidad de retener selectivamente los analitos hasta

que estn lo suficientemente concentrados antes de que se interrumpa la

retencin (breakthrough) y el analito pase de largo. La desorcin se realiza por

elucin con un solvente orgnico apropiado. (Trujillo, 2006)

En las columnas se puede presentar el problema de la formacin de

canales que permiten el paso de la muestra sin retencin del analito, estos

canales preferenciales impiden que el analito sea adsorbido por todos los sitios

activos de la muestra. Tambin se requieren largos tiempos para el


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procesamiento de grandes volmenes del lquido porque se lleva a cabo a bajas

velocidades. (Trujillo, 2006)

El mtodo de flujo continuo del tipo columna tiene ventajas distintivas

sobre los mtodos discontinuos, puesto que las velocidades de adsorcin

dependen de la concentracin del soluto en la solucin que deba tratarse. En

este mtodo, el carbn est continuamente en contacto con una solucin

fresca. En el tratamiento discontinuo, la concentracin del soluto en contacto

con una cantidad determinada de carbn decrece de continuo a medida que la

adsorcin progresa y por tanto decrece la efectividad del adsorbente para

separar el soluto. (Trujillo, 2006)

El sistema de contacto por lecho expandido, permite usar partculas de

tamao pequeo, prescindiendo de los problemas asociados con prdidas de

carga, bolsas de aire y ensuciamiento comunes a las columnas de relleno de

medio filtrante fino. En el mtodo de lecho expandido, el agua fluye en sentido

ascendente a travs de una columna de adsorbente fino, con una velocidad

suficiente como para suspender las partculas slidas. (Weber, 2003)


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7.9.3 Curv a de s aturacin

En las operaciones de adsorcin con lecho fijo y carbn activo, el agua o

agua residual que debe tratarse pasa a travs de un lecho estacionario de

carbn. Se establece un estado no-estacionario para el cual el carbn contina

adsorbiendo cantidades crecientes de impurezas durante el periodo til de

operacin.

El soluto o impureza se adsorbe ms rpida y eficazmente en las capas

ms superiores de carbn fresco durante los estados iniciales de la operacin.

Las capas ms superiores estn, desde luego, en contacto con la solucin a la

concentracin mayor, C0. Las pequeas cantidades de soluto que se escapan

de estas primeras capas de adsorbente son separadas en los estratos inferiores

del lecho, y la concentracin de soluto en el efluente durante el perodo inicial

es prcticamente cero (C=0). La zona primaria de adsorcin se encuentra

inicialmente cerca de la cabeza de la columna o punto de alimentacin. A

medida que el agua contaminada fluye a travs de la columna, las capas

superiores de carbn llegan a saturarse prcticamente con el soluto y ya no son

efectivas para una adsorcin posterior. As, la zona primaria de adsorcin se

desplaza hacia abajo hacia las regiones de adsorbente ms fresco. El

desplazamiento de esta zona est acompaado por el desplazamiento del

frente de Concentracin C0; este desplazamiento se efecta con una velocidad

ms lenta que la velocidad lineal del agua o agua residual. A medida que la


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zona primaria de adsorcin se desplaza en sentido descendente, ms y ms

soluto tiende a pasar con el efluente.

Figura 2. Representacin esquemtica del desplazamiento de la zona de adsorcin y la curvade saturacin resultante.

El punto de saturacin de esta curva representa el punto de operacin

para el cual la columna est en equilibrio con el agua de alimentacin, y ms

all de este punto, la adsorcin de soluto ser pequea. En este punto es

recomendable reactivar o reemplazar el carbn.

Para la mayor parte de operaciones de adsorcin en el tratamiento del

agua y agua residual, las curvas de saturacin exhiben una forma S

caracterstica, con distintos grados de inclinacin y posicin del punto de

saturacin. Los factores que influyen en la forma de la curva incluyen:

concentracin del soluto, pH, mecanismo controlado de la velocidad de


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adsorcin y naturaleza de las condiciones de equilibrio, tamao de partcula,

altura de lecho de carbn y velocidad de flujo. Como regla general, el tiempo

requerido hasta el punto de saturacin se disminuye por : (1) aumentar eltamao de partcula del carbn; (2) aumentar la concentracin del soluto en la

alimentacin; (3) aumentar el pH del agua; (4) aumentar el caudal; y (5)

disminuir la altura del lecho. Si la altura total del lecho es menor que la longitud

de la zona primaria de adsorcin requerida para adsorber el soluto eficazmente,

entonces la concentracin del soluto en el efluente aumentar desde el

comienzo de la operacin. Para cada tipo de adsorcin debe existir una altura

mnima de carbn crtica. (Weber, 2003)

7.9.4 Cur vas B TC

De acuerdo con Tindall et al. (1999), una curva breakthrough es una

representacin grfica de la concentracin de salida contra tiempo o drenaje de

agua acumulativo durante un experimento. Las curvas de breakthrough indican

la distribucin relativa de un trazador en un efluente, con respecto a una

columna o rea de la matriz en consideracin, la curva se relaciona con la

porosidad, el tiempo o ambos. El anlisis de la curva puede indicar la presencia

de un macroporo o trayectorias preferenciales de flujo o presencia de sitios de

adsorcin.

La adsorcin de solutos en la fase slida es a menudo la fuerza

impulsora que afecta la forma de la curva. La forma de la curva de breakthrough


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no es determinada por la retencin solamente, sino tambin por los procesos

qumicos y fsicos que se juntan con la distribucin microscpica de la velocidad

u otros procesos.

Figura 3. Dispersin Longitudinal de una Curva Breakthrough Tpica. Tindall et al.,1999

Cuando una curva breakthrough se mueve a la izquierda es debido a la

mezcla incompleta y la carencia de desplazamiento del fluido. Entre ms lejos a

la izquierda se mueva la curva, ms pequeo es el volumen de agua que se

desplaza. Est carencia de desplazamiento puede ser causada por:

Un gran tamao del agregado, el cual causa una abundancia de agua

(estancada) inmvil presente en el medio (es decir la velocidad del agua

de los poros es cero)

La exclusin de solutos debido a las interacciones soluto-slido.

El aumento de la concentracin de solutos, que causa la mezcla

incompleta de los solutos con el agua.


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Una curva breakthrough se mueve a la derecha debido a:

El lquido desplazado o solutos retenidos, por precipitacin o intercambio.

Reaccin qumica de soluto o slido.

Intercambio de solutos con la fase slida del medio.

(Caldern, 2004)

La adsorcin ser ms eficaz cuanto ms aguda sea la curva como se

observa en la curva tipo flujo pistn (Figura), es el movimiento del agua a

travs de la macrfita cuando no hay difusin ni dispersin. Sin embargo,

cuando el metal influente encuentra un canal preferencial por el cual avanzar, la

curva BTC tendr una pendiente mayor y la adsorcin ser menor. Ese flujo

preferencial se puede deber a la presencia de macroporos o heterogeneidades

del slido. (Muoz, 2007)

Figura 4. Curva Breakthrough por flujo pistn.


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Figura 5. Curvas tpicas de Breakthrough y procesos fundamentales por los cuales se realiza elmovimiento del contaminante en medios porosos.

Los contaminantes se mueven ms rpido a travs de poros grandes y

ms lento a travs de poros pequeos.

7.10 Carbn Activado

El carbn activado es un agente adsorbente que se puede obtener a

partir de materiales con un alto contenido orgnico como: madera, huesos,

cscaras de semillas de frutos, etc. Su activacin puede ser fsica: temperaturas

de 800C a 1000C o qumica se hace reaccionar con un agente qumico

activante a temperaturas entre 450C y 900C. Adems de condiciones

especiales como la presin y ausencia de oxgeno, todo esto para obtener un

adsorbente muy poroso y con un gran rea superficial. La ceniza es el producto

de la combustin de algn material, est compuesta por sustancias inorgnicas


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no combustibles, como sales minerales; se caracteriza por tener tonalidades

grisceas hasta blancas por la ausencia de carbono.

La macrfita activada trmicamente a la temperatura de 400C no est

clasificada como carbn pero tampoco como cenizas, siendo un adsorbente

fcil de preparar, econmico que se aproxima a la capacidad de adsorcin del

carbn activado.

7.11 Espectrofotometra de Absorcin Atmica

Es un mtodo para la deteccin y la determinacin de elementos

qumicos, particularmente de elementos metlicos. Los compuestos, para su

anlisis, se tienen que romper en los tomos que los constituyen. Ello se realiza

por pulverizacin en una llama a alta temperatura. Un rayo luminoso de una

cierta longitud de onda, producido por un tipo especial de lmpara, se dirige a lo

largo del eje longitudinal de una llama plana y hacia un espectrofotmetro.

Simultneamente, la solucin de la muestra es aspirada hacia el interior de la

llama. Antes de entrar en sta, la solucin es dispersada formando una niebla

de gotitas muy finas que se evaporan en la llama, dando inicialmente la sal seca

y luego el vapor de la sal, el cual se disocia, en parte, en tomos del elemento

que se desea determinar. (Walton, 2005)


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VIII. PLAN DE ACTIVIDADES

Figura 6. Plan de Actividades del Proyecto.


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IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS

A continuacin se presenta una tabla con todos los recursos materiales ocupados

en el proyecto: equipos, materiales y reactivos. Los cuales fueron proporcionados

por los laboratorios de Geoqumica de Aguas, Geoqumica Ambiental y

Vulcanologa ubicados en el Centro de Geociencias-UNAM Campus Juriquilla,

Quertaro. Laboratorio de Anlisis de Aguas en la Uteq. Las personas que

colaboraron durante este proyecto fueron: M. en C. Mara Carolina Muoz Torres,M. en I. Jos Ramn Prez Contreras y Dra. Marina Vega Gonzlez.

EQUIPO MARCA MODELOBalanza Analtica Denver InstrumentBalanza Analtica OHAUS ExplorerBomba Peristltica ISMATEC CP 78016-30 ( 2-99

rpm, 50/60 Hz)Conductmetro Orion 900AEspectrofotmetro de

Absorcin Atmica (AA)Perkin Elmer Aanalyst 300

Horno de Secado Ros Rocha S.A. HS48-35Molino Taurus ML-2Mufla Thermolyne 1300

Furnace ThermolyneMufla Thermolyne 500

Furnace SybribThermolyne

Tamiz de Pruebas Fsicas MONT INOX No. 100 (tamao deabertura:149m,0.0059)

Tamizador Ro-Tap RX-29MATERIAL MARCA ESPECIFICACIONESBolsas ZiplocCpsulas de plstico de 25ml


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Crisoles de porcelanaDesecadorEmbudos de plsticoEsptulaFibra de Vidrio E. MERCK

DARMSTADT

Algodn de vidrio

Frascos con tapa paramuestra

100 ml

Frascos con tapa 30, 125 y 250 mlMatraz Aforado 1 lMangueras para bombaperistltica

GE, GLASSEXPANSION

ID: 0.64 mm (1.65,1.42,1.02 y 2.06 mm)

Micropipeta Eppendorf 0.01ml, 10l-100lMicropipeta Eppendorf 0.5 ml- 5.0 mlMicropipeta Thermo Scientific 1.0-10.0 ml

Mircropipeta Eppendorf 0.1-1.0ml, 10l-1000lPapel aluminioPapel filtro Whatman No. 42 Tamao:2.5mPapel para pesarPipeta Pasteur El Crisol 150 mmPuntas de plsticoRejilla de unicelSoporte UniversalTijeras de metalVasos de precipitado 50-100ml

VialesVidrio de relojREACTIVOS MARCA CONDUCTIVIDAD

Agua Desionizada Nanopure Infinity 0.4 - 0.04s/cmAgua tipo RO Sartorius Stedim

Biotech18s/cm

REACTIVOS MARCA PUREZAcido clorhdrico (HCl) J.T. Baker (INSTRA-

ANALYZED Reagent)36-5-38%

cido ntrico (HNO3) J. T. Baker (INSTRA-

ANALYZED Reagent)

69-70%

Hidrxido de Sodio J.T. Baker 50% (p/p)REACTIVOS MARCA CONCENTRACINEstndar de Zn + Perkin Elmer Pure (PE

Pure)1000mg/L

Tabla 2. Recursos Materiales y Equipo.


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X. DESARROLLO DEL PROYECTO

10.1 Ubicacin del sitio de colecta de la planta.

La colecta de la planta se realiz en la Laguna de San Bartolom (municipio

de San Bartolom de los Baos, Gto., colindante a Quertaro) en 2012.

Figura 7. Laguna de San Bartolom.Fuente: Elaboracin propia.

Para realizar el presente trabajo, se contaba con planta Eleocharis

bonariensis nees trozada y lavada, la cual fue colectada con anterioridad para el

proyecto: Evaluacin de la Capacidad de remocin de Zinc con Eleocharis

bonariensis neesActivada Trmicamente (Caballero, 2012). En dicho trabajo, la

prueba se realiz en la fase esttica en Batch y se definieron las condiciones

ptimas de remocin de Zn2+por la planta, las cuales fueron: activacin trmica a

400C, pH 6 en los estndares de Zn2+ de 10, 20, 30, 40 y 50 mg/L y una dosis de

0.075g de adsorbente/15 ml. (Caballero, 2012). Por lo que se reprodujeron estas


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condiciones para el presente proyecto donde se realiz la fase dinmica en

columnas, para complementar el desempeo de la planta en la fase esttica.

El proyecto se desarroll en los laboratorios de Geoqumica de Aguas,

Geoqumica Ambiental y Vulcanologa ubicados en el Centro de Geociencias-

UNAM Campus Juriquilla, Quertaro.

10.2 Preparacin de la muestra

10.2.1 Lavado y tro zado

Una vez recolectada, la planta se le realizan tres lavados: primeramente

con agua de la llave para retirar los restos del suelo, as como el polvo. Un

segundo lavado que consiste en tres enjuagues con agua baja en sales

(agua RO o agua tipo II), para retirar las sales y partculas aportadas por el

agua de la llave. El ultimo lavado consiste en tres enjuagues con agua

desionizada, con el fin de quitar lo que pudo aportarle el agua RO y dejar a

la planta libre de partculas que contaminaran la muestra en la superficie.

Se seca la planta durante un da sobre papel en una superficie libre de

polvo. Se corta la planta manualmente en trozos pequeos de

aproximadamente 5 cm. Dichos pasos fueron llevados a cabo con

anterioridad durante el proyecto de Evaluacin de la Capacidad de

remocin de Zn2+con Eleocharis bonariensis neesActivada Trmicamente

(Caballero, 2012)


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10.2.2 Secado , moliend a y tamizado de la muestra

Se seca la planta en el Horno (Ros Rocha) por 2 horas a 100C. El tiempo

de secado depende de que tan fresca pueda estar la planta.

Cuando la planta est totalmente seca (llega a un peso constante) se lleva

a triturar a un molino de granos (Taurus), de forma que la partcula quede

lo ms fina posible.

Se pasa por un tamiz del nmero 100 (tamao de abertura:149m, 0.0059)

con ayuda del Ro-Tap.

Se recolecta el polvo pasado por el tamiz. Y el sobrante se sigue moliendo

hasta que el tamao de partcula ya no pueda ser molido.

Figura 8. Secado y molienda de la muestra. Horno Rios Rocha, Molino Taurus ML-2).

Fuente: Elaboracin propia.


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Figura 9 .Tamizador Ro-Tap, RX-29. Muestra a 49m de tamao de partcula. Fuente:Elaboracin propia.

10.2.3 Ac tiv acin trm ica de l a mues tra

Se deposita la muestra seca y molida en vidrios de reloj y se realiza una

activacin a 200C por 1 hora en el Horno.

Se pesan 2 g de muestra de la muestra activada a 200C, se deposita en

un crisol de porcelana y se lleva a 400 C por 2 horas en la Mufla.

Figura 10.Secado de la muestra en Horno y Activacin Trmica en Mufla.Fuente: Elaboracinpropia.


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Figura 11. Pruebas trmicas, izquierda a derecha: muestra tratada a 200C, muestra activada a400C.Fuente: Elaboracin propia.

10.3 Preparacin de Estndares

Se preparan estndares de acuerdo al parmetro que se vaya a trabajar.

Se realizan los clculos con la frmula: C1V1=C2V2

Se utiliza como concentracin inicial (C1), el estndar de Zn2+ de 1000

mg/L, el volumen necesario para llegar a la concentracin deseada (V 1) y

como concentracin final la concentracin a que se desea llegar (C 2) ya

sean 10, 30, 50 mg/L, as como el volumen total a preparar del estndar

(V2).

Se ajustan los estndares de Zn2+a pH 6, con cido ntrico e hidrxido de

sodio.


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Figura 12. Estndares de Zn2+y Conductmetro ORION 2900A. Fuente: Elaboracin propia.

10.4 Columnas

Para los experimentos dinmicos de adsorcin se usaron columnas de lecho fijo y

flujo ascendente, trabajando a un pH de 6, a 3 concentraciones de Zn2+y a 2

diferentes flujos.

La biomasa previamente tratada se empaquet en una columna pequea

(pipeta Pasteur). Se le coloc una base de fibra de vidrio en la pipeta

Pasteur, despus se pes la biomasa tratada trmicamente: 0.075g la cual

se compact a 1 cm de altura y 0.15 g la cual se compact a 2 cm. Y

posteriormente se coloc fibra de vidrio sobre el lecho para evitar que el

lecho se fracturara.

El paso de la solucin de Zn2+

a travs de la columna de biomasa se realiz

con ayuda de una bomba peristltica, para obtener flujos controlados.

Se evalu el desempeo de la biomasa con tres diferentes soluciones de

10, 30 y 50 mg/L de Zn2+a dos flujos de 0.067 y 0.138 ml/ min. Los flujos se


54/78

54

las 6 de la tarde hasta las 7 de la maana del da siguiente. Las muestras

fueron analizadas por Espectrofotometra de absorcin atmica.

10.4.1 Inf luen cia del caudalSe realizaron los experimentos a 2 velocidades diferentes con la misma

altura de lecho.

10.4. 2 Infl uenci a de la altura del lechoSe realizaron experimentos a 2 alturas diferentes de lecho con la misma

velocidad de flujo.

10.4.3 Influencia d e la co ncentracinSe realizaron experimentos a un mismo flujo y a una misma altura de lecho

con 3 concentraciones diferentes de Zn2+.

Figura 13. Mangueras GE, ID 0.64 mm. Bomba peristltica ISMATEC.

Fuente:Elaboracin propia


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55

Figura 14. Determinacin experimental de los flujos. Fuente: Elaboracin propia.

Figura 15. Columna con muestra.Fuente: Elaboracinpropia.


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56

Figura 16. Columna montada.Fuente: Elaboracin propia.

Figura 17. Sistema de columnas, imagen frontal. Fuente:Elaboracin Propia.


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57

Figura 18. Sistema de columnas, Imagen lateral. Fuente: Elaboracin Propia.


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58

10.5 Anlisis en Espectrofotometra de Absorcin Atmica

Despus de obtener las muestras se analiza la concentracin final de la

solucin recolectada durante los experimentos y la inicial de los estndares antes

de pasar por las columnas, para conocer la remocin de Zn2+ a las distintas

concentraciones.

Las lecturas se realizan por medio del Espectrofotmetro de Absorcin

Atmica (Aanalyst 300, Perkin Elmer), empleando la tcnica de flama, con una

lmpara de Zn2+de ctodo hueco, una llama de gas acetileno-aire y una longitud

de onda de 213.9 nm que es la longitud principal recomendada para el anlisis de

este catin. Basado en el mtodo EPA 795 Zinc (Atomic Absorption, Direct

Aspiration). (EPA, 1986)

Se realiza una curva de calibracin en concentraciones entre 0.1 a 5 mg/L y

una muestra de control de laboratorio. Las muestras que dieron valores fuera del

rango de la curva de calibracin se diluyen (1:10), para que su concentracin

quede dentro del rango de la curva de calibracin (0.1mg/L Zn 2+ de baja

concentracin). Las lecturas del equipo se realizan por duplicado y se calcula el

promedio. Se realizan los clculos de remocin del metal presente en la solucin

(porcentaje de remocin), los miligramos del metal presentes en la solucin antes

y despus de las pruebas de adsorcin.


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59

Figura 19. Espectrofotmetro de Absorcin Atmica (AAS) Perkin Elmer Analyst 300.

Fuente:Elaboracin propia.

Figura 20. Frascos de muestras a analizar. Fuente:Elaboracin Propia


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XI. RESULTADOS OBTENIDOS

En el trabajo Evaluacin de la capacidad de remocin de Zn2+ con

Eleocharis bonariensis nees Activada Trmicamente (Caballero, 2012), en el cual

se trabaj la fase esttica de batch, se obtuvieron las condiciones ptimas de

remocin de la planta, las cuales fueron: activacin trmica de la planta a 400C,

estndares de Zn2+ a un pH 6, con una dosis de 0.075g/15 ml y un tiempo de

contacto de 1 hora, obteniendo un porcentaje de remocin mayor al 98% de Zn2+

en concentraciones de 10, 20, 30, 40 y 50 mg/L. (Caballero, 2012)

En el presente proyecto, la muestra se trabaj en las condiciones de la fase

esttica, pero ahora en la fase dinmica en columnas, para evaluar el desempeo

de la planta. Las condiciones que se reprodujeron fueron: la activacin trmica a

400C de la planta, necesaria para un mejor desempeo de la macrfita; se

usaron concentraciones de 10, 30 y 50 mg/L de Zn2+ para determinaren cuales se

tiene mayor remocin; finalmente, los estndares se ajustaron a un pH de 6.

Los resultados presentados a continuacin se obtuvieron de las pruebas

realizadas con la Eleocharis bonariensis nees para la remocin de Zn2+ en fase

dinmica en columnas. Las pruebas consistieron en evaluar la influencia del flujo,

la altura del lecho y la influencia de diferentes concentraciones de Zn2+.


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61

Las columnas que se trabajaron tuvieron las siguientes caractersticas.

ColumnasZn2+mg/L

hcm

Fml/min

Vpml

1 30 1 0.067 0.082 10 1 0.067 0.083 50 1 0.067 0.084 10 2 0.067 0.085 30 2 0.067 0.086 50 2 0.067 0.087 10 2 0.138 0.328 30 2 0.138 0.319 50 2 0.138 0.32

Tabla 3.Caractersticas de las diferentes columnas para adsorcin de Zn2+, (Vp= volumen poral).

En las columnas 1 a 3 se trabajaron alturas de 1cm y un flujo de 0.067

ml/min a tres concentraciones diferentes; las columnas 4 a 6 se trabajaron con el

doble de altura, 2 cm, y el mismo flujo a tres concentraciones diferentes; las

columnas 7 a 9 se trabajaron con una altura de 2 cm y el doble de flujo 0.138

ml/min a tres concentraciones diferentes; todo se trabaj a pH 6.

11.1 Influencia del flujo en la adsorcin del metal

El flujo es una variable importante en el sistema dinmico de columnas, ya

que la velocidad y la cantidad de influente que circule a travs de las columnas

influyen en la saturacin de la macrfita para que sea ms lenta o rpidamente.


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62

En las grfica 1 podemos observar la influencia del flujo del metal influente

a la concentracin de 10 mg/L y una altura de 2 cm.

Grfica 1. Influencia del Flujo en la adsorcin de Zn2+ (10 mg/L), con una altura de 2cm.

Podemos observar que el rea bajo la curva es menor cuanto mayor es el

flujo y la masa adsorbida es directamente proporcional al rea bajo la curva. Se

puede inferir que la mayor capacidad de adsorcin se lleva a cabo con el flujo

ms bajo y al aumentar el flujo dicha capacidad disminuye. Por lo tanto, a menor

flujo 0.067 ml/min la macrfita tiene una mayor capacidad de retencin del Zn2+.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 2000 4000 6000 8000

Ce/Co

Vp

Influencia del Flujo 10 mg/L

0.067 ml/min

0.138 ml/min


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63

En la grfica 2 podemos observar la influencia del flujo del metal influente a

la concentracin de 30 mg/L y una altura de 2 cm.


Se puede observar el mismo comportamiento que a la concentracin de 10

mg/L con la concentracin de 30 mg/L. Por lo tanto, a menor flujo 0.067 ml/min la

macrfita tiene una mayor capacidad de retencin del Zn2+.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 500 1000 1500 2000 2500

Ce/Co

Vp


0.067 ml/min

0.138 ml/min


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64

En la grfica 3 podemos observar la influencia del flujo del metal influente a

la concentracin de 50 mg/L y una altura de 2 cm.



y 30 mg/L con la concentracin de 50 mg/L. Por lo tanto, a menor flujo 0.067

ml/min la macrfita tiene una mayor capacidad de retencin del Zn2+.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 1000 2000 3000

Ce/Co

Vp


0.067 ml/min

0.138 ml/min


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65

11.2 Influencia de la altura del lecho en la adsorcin del metal

La altura del lecho es la variable con la que se determina la cantidad de

biomasa que se utilizar y con la compactacin adecuada se obtenga la altura

deseada. Esta variable es importante en el sistema dinmico de columnas, ya que

dependiendo de la cantidad de masa, el incremento de superficie de adsorcin y

el comportamiento de la muestra ocurre la saturacin de la macrfita ms lenta o

rpidamente.

En las grfica 4 se observa la influencia de la altura de lecho a una

concentracin de 10 mg/L y un flujo de 0.067 ml/min.

Grfica 4. Influencia de la altura del Lecho en la adsorcin de Zn2+(10mg/L), con un flujo de 0.067ml/min.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 2000 4000 6000 8000

Ce/Co

Vp

Influencia de altura del Lecho 10 mg/L

1cm

2cm


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66

Se puede observar que el rea bajo la curva es menor cuanto menor es la

altura del lecho y la masa adsorbida es directamente proporcional al rea bajo la

curva. Se puede inferir que la mayor capacidad de adsorcin se lleva a cabo a

mayor altura del lecho y al disminuir el tamao del lecho dicha capacidad

disminuye. Por lo tanto, se infiere que a mayor cantidad de biomasa se tiene una

mayor capacidad de retencin del Zn2+.

En las grfica 5 se observa la influencia de la altura del lecho a una

concentracin de 30 mg/L y un flujo de 0.067ml/min.

Grfica 5. Influencia de la altura del Lecho en la adsorcin de Zn2+(30mg/L), con un mismo flujo de0.067 ml/min.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Ce/Co

Vp


1 cm

2 cm


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67


mg/L con la concentracin de 30 mg/L. Por lo tanto, a mayor altura del lecho (2

cm), la macrfita tiene una mayor capacidad de retencin del Zn2+.

En la grfica 6 se observa la influencia de la altura del lecho a una

concentracin de 50 mg/L y un flujo de 0.067ml/min.

Grfica 6. Influencia de la altura del Lecho en la adsorcin de Zn2+(50mg/L), con un mismo flujo de0.067 ml/min.


y 30 mg/L con la concentracin de 50 mg/L. Por lo tanto, a mayor altura del lecho,

2 cm, la macrfita tiene una mayor capacidad de retencin del Zn2+.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Ce/Co

Vp


1 cm

2 cm


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68

11.3 Influencia de la concentracin del metal influente

Es importante determinar a qu concentracin la macrfita tiene una mayor

remocin de Zn2+

, ya que en la fase esttica se trabaj mejor a concentraciones

altas de 50 mg/L, pero en la fase dinmica de columnas, al ser un sistema

totalmente diferente, la macrfita tiene otro comportamiento. Se utilizaron

concentraciones de 10, 30 y 50 mg/L, a dos alturas de lecho 1 y 2 cm, y dos flujos

0.067 ml/min y 0.138 ml/min.

En la grfica 7 se observa la influencia de la concentracin del metal

influente a 1 cm de altura del lecho y un flujo de 0.067 ml/min.

Grfica 7. Influencia de Diferentes concentraciones de Zn2+a 1cm de altura y un flujo de 0.067ml/min.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Ce/Co

Vp

Influencia diferentes concentraciones1cm-0.067 ml/min

10 mg/L

30 mg/L

50 mg/L


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69

Se puede observar que el rea bajo la curva es menor a las

concentraciones de 30 y 50 mg/L, es decir que a mayor concentracin menor

cantidad de masa de metal es adsorbida. Se puede inferir que la mayor capacidad

de adsorcin se lleva a cabo a concentraciones bajas. Por lo tanto, a menor

concentracin de metal influente, 10 mg/L, la macrfita tiene una mayor capacidad

de retencin de Zn2+.


influente a 2 cm de altura del lecho y un flujo de 0.067 ml/min.

Grfica 8. Influencia de Diferentes concentraciones de Zn2+a 2cm de altura y un flujo de 0.067ml/min

Podemos observar el mismo comportamiento que a la altura de 1 cm de

lecho y con el mismo flujo, el rea bajo la curva es menor conforme aumenta la

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 2000 4000 6000 8000 10000

Ce/Co

Vp

Influencia diferentes concentraciones2cm-0.067 ml/min

10 mg/L

30 mg/L

50 mg/L


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70

concentracin del metal influente. Por lo tanto, a menor concentracin de metal

influente 10 mg/L, la macrfita tiene una mayor capacidad de retencin de Zn2+.


influente a 2 cm de altura y un flujo de 0.138 ml/min.

Grfica 9. Influencia de Diferentes concentraciones de Zn2+a 2cm de altura y un flujo de 0.138ml/min

Se puede observar el mismo comportamiento de los experimentos con 1 y

2 cm de altura de lecho aumentando el flujo a 0.138 ml/min, el rea bajo la curva

es menor conforme aumenta la concentracin del metal influente. Por lo tanto, a

menor concentracin 10mg/L, la macrfita tiene una mayor capacidad de retencin

de Zn2+.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 500 1000 1500

Ce/Co

Vp

Influencia diferentes concentraciones2 cm-0.138 ml/min

10 mg/L

30 mg/L

50 mg/L


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71

11.4 Prueba BET

Se realiz la prueba BET de la muestra de Eleocharis bonariensis nees

activada trmicamente a 400C, para comprobar el aumento de su rea superficial

as como el posible aumento de sus sitios activos, por lo cual la planta podra

tener una mayor capacidad de adsorcin que sin activar.

Tabla 4. Prueba BET a 200C y 400C.

Como se puede observar en la tabla, el rea superficial aumentaconsiderablemente con la activacin trmica a la planta Eleocharis bonariensisNees.

En resumen: Se comprob que en la adsorcin de Zn2+con Eleocharis bonariensis nees,

a menor flujo 0.067 ml/min, se obtuvo mayor capacidad de adsorcin del

metal, lo cual se explica dado que a mayor tiempo de contacto con los sitios

activos se obtiene una mejor remocin del metal.

Se comprob la influencia de la altura del lecho en la adsorcin de Zn2+,

puestoque a mayor altura de lecho, 2 cm, se obtuvo mayor capacidad de

adsorcin del metal por la macrfita, dado que hay una presencia de un

nmero mayor de sitios activos para la remocin del metal.

Se comprob la influencia de la concentracin del metal influente, ya que a

menor concentracin de Zn2+,10 mg/L, se observ una mayor capacidad de

adsorcin del metal por la macrfita.

TemperaturaBET

(m2/g)200C 1.638400C 26.681


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72

XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En Mxico, el problema de la falta de agua potable, el crecimiento

poblacional e industrial y las pocas plantas tratadoras de agua que existen, son

causas para buscar mtodos o alternativas prcticas y econmicas para el

tratamiento del agua. La planta Eleocharis bonariensis nees es una alternativa

importante para la remocin de metales pesados, ya que es fcil de conseguir en

la zona y su tratamiento no es costoso.

Los resultados obtenidos demostraron que la planta Eleocharisbonariensis nees activada trmicamente en un sistema dinmico, tiene un buen

desempeo a una altura de 2 cm de lecho, a un flujo de 0.067 ml/min y mayor

capacidad de adsorcin a concentraciones bajas 10 mg/L. Se cumpli el objetivo

de evaluar la capacidad de adsorcin de Zn2+ por la macrfita Eleocharis

bonariensis nees activada trmicamente en un sistema dinmico, utilizando

columnas bajo condiciones de laboratorio, obteniendo un buen desempeo a

mayor altura, menor flujo y bajas concentraciones de Zn2+.

En nuestro pas, la NOM-001-SEMARNAT-1996 establece como lmites

mximos permisibles 10 y 20 mg/L de Zn2+ promedio diario y mensual

respectivamente, para descargas de aguas residuales. Tenemos que conocer que

tan factible es llegar a esos lmites en las descargas por lo tanto se recomienda

realizar ms pruebas con la Eleocharis bonariensis nees para su posible

aplicacin a gran escala como parte de una planta de tratamiento de aguas.


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73

Es recomendable realizar ms pruebas con la Eleocharis bonariensis nees

para determinar el tiempo de vida de las columnas, los ciclos de adsorcin y

desorcin.

Faltan ms etapas en la adsorcin con esta macrfita, como son probarla

con distintos metales o con una mezcla de varios metales pesados, para

determinar su afinidad por alguno en especfico, as como probar su capacidad de

adsorcin en un agua residual contaminada y probarla a gran escala en un biofiltro

para metales pesados.


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XIII. ANEXOSAnlisis de Zinc (Zn) por Espectrofotometra de Absorcin Atmica de Flama

Este mtodo se basa en el mtodo EPA 7950 Zinc (Atomic Absorption, Direct

Aapiration), aprobado por la Enviromental Protection Agency de los EstadosUnidos.

Parmetros del instrumento:Lmpara de ctodo hueco: ZincLongitud de onda: 213.9nmCombustible: AcetilenoOxidante: AireTipo de flama: OxidanteQuemador: 10 cm

Abertura de la rendija: 0.7Correcin de fondo: Requerida

Preparacin de soluciones estndar de calibracin.Se utiliza una solucin stock certificada a una concentracin de 1000 mg/L deZinc.Se preparan una serie de diluciones a partir de la solucin stock para obtenerconcentraciones que cubran el rango ptimo de concentracin. Los estndares decalibracin deben ser preparados usando el mismo tipo de cido(s) y en la mismaconcentracin contenida en las muestras despus del procedimiento depreparacin.

Desempeo del Mtodo

Rango Dinmico Lineal: 0.2-2 mg/L para longitud de onda de 213.9 nmSensibilidad: 0.016Lmite de deteccin: 0.06 mg/LLmite de cuantificacin: 0.2 mg/LPrecisin: Medida con una MCL de 1 mg/L, 1s= 0.012 (1.3% DSR)

Basada en duplicados: 2 %Exactitud: Medida con una MRC de 0,68 mg/L, = 0.06 (9.2%)Recuperacin: 87.4-94.9% en Matrices y Blancos Fortificados.

(EPA, 1986)


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75

Tabla Lmites Mximos Permisibles para Metales Pesados y Cianuros (SEMARNAT, 1996)


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XIV. BIBLIOGRAFA

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