ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL - Repositorio...

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y

AGROINDUSTRIA

OBTENCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS CON

PROPIEDADES MAGNÉTICAS PARA LA REMOCIÓN DE ZINC A

PARTIR DE RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO

QUÍMICO

CHRISTOPHER GABRIEL ASIMBAYA SELLÁN

[email protected]

DIRECTORA: ING. NELLY MARÍA ROSAS LAVERDE, M.Sc.

[email protected]

CO-DIRECTORA: ING. DIANA ENDARA DRANICHNIKOVA, Ph.D.

[email protected]

Quito, junio 2016

© Escuela Politécnica Nacional (2016)

Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo, Christopher Gabriel Asimbaya Sellán, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

_____________________________

Christopher Gabriel Asimbaya Sellán

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Christopher Gabriel Asimbaya Sellán, bajo mi supervisión.

___________________________ ____________________________

Ing. Nelly Rosas M.Sc. Ing. Diana Endara Ph.D. DIRECTORA DE PROYECTO CO-DIRECTORA DE PROYECTO

AUSPICIO

La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto (PIMI-14-18), que se ejecuta en el Departamento de Materiales de la Escuela Politécnica Nacional.

Obtención de Materiales Compuestos con Propiedades Magnéticas para la Remoción de Zinc a partir de Residuos Lignocelulósicos

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1. INTRODUCCIÓN

La contaminación de efluentes líquidos con metales pesados

se ha visto incrementada en los últimos años debido a la

creciente actividad industrial. En Ecuador, entre las

principales fuentes de contaminación se tienen industrias

como la automotriz, galvanoplástica, del hierro y acero, las

cuales, generan un elevado contenido de iones metálicos en sus

descargas, entre los que destaca el zinc (Bradl, 2015). Este

metal afecta la calidad del agua y conlleva un riesgo para la

salud del ser humano, cuando su concentración supera los 5

mg/L (Shukla et al., 2002).

En la actualidad, se han propuesto varias técnicas que permiten

la remoción de metales pesados de los efluentes líquidos. Entre

las cuales se incluyen precipitación química, filtración con

membranas, electrocoagulación, intercambio iónico y ósmosis

inversa (Abdolali et al., 2014). Sin embargo, estos métodos


Resumen: En este trabajo se obtuvieron materiales compuestos a partir de la impregnación de nanopartículas de

magnetita en residuos lignocelulósicos para remover zinc de soluciones sintéticas. Se emplearon como matrices

aserrín de laurel, canelo y eucalipto con tamaños de partícula comprendidos entre 74 y 150 µm. Las nanopartículas

de magnetita se sintetizaron mediante el método de co-precipitación a partir de la disolución de cloruro férrico y

sulfato ferroso en 100 mL de agua purificada a 35 ᵒC con agitación de 1 250 min-1 y atmósfera inerte. Posteriormente,

se añadieron los residuos lignocelulósicos a las mismas condiciones para obtener los compuestos. Mediante

Difracción de Rayos X (DRX) se verificó la obtención de magnetita, mientras que, la presencia de las nanopartículas

en la matriz se confirmó con Espectroscopia Infrarroja por Transformadas de Fourier (FTIR) y Microscopia

Electrónica de Barrido (MEB). Además, mediante Microscopia Electrónica de Transmisión (MET) se determinó que

las nanopartículas presentan diámetros de aproximadamente 20 nm. Los máximos porcentajes de remoción de zinc

correspondientes a 98,95; 98,80 y 97,61 % se alcanzaron con 7 g/L de cada material compuesto, laurel, canelo y

eucalipto, respectivamente. Mientras que, para los residuos lignocelulósicos se obtuvieron remociones de 60,98;

46,01 y 33,31 %. El análisis de las isotermas de adsorción determinó que los compuestos de laurel y canelo se ajustan

al modelo de Freundlich, mientras que, el eucalipto se ajusta al modelo de Langmuir. Además, las capacidades

máximas de remoción de los compuestos de laurel, canelo y eucalipto fueron 28,65; 21,46 y 8,22 mg/g,

respectivamente.

Palabras clave: Residuos lignocelulósicos, nanopartículas de magnetita, materiales compuestos, adsorción.

Zinc Removal Using Magnetic Composite Materials Obtained from Lignocellulosic Waste

Abstract: In this work, composites were obtained by the impregnation of magnetite nanoparticles in lignocellulosic

waste for removing zinc from synthetic solutions. Different sawdust from canelo, laurel and eucalyptus, with a particle

size between 74 and 150 µm were used as support by separately. Magnetite nanoparticles were synthesized by co-

precipitation from the dilution of ferric chloride and ferrous sulfate in 100 mL of purified water at 35 ᵒC with 1 250 min-1 stirring and inert atmosphere. Lignocellulosic residues were added at the same conditions to obtain the

composites. X-ray Diffraction (XRD) confirmed the synthesis of magnetite. The presence of nanoparticles in the

lignocellulosic support was confirmed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron

Microscopy (SEM). Transmission Electron Microscopy (TEM) showed that the nanoparticles had diameters of about

20 nm. The maximum removal amounts for 7 g/L of laurel, canelo and eucalyptus composites were 98,95; 98,80 and

97,61 %, respectively. While, for lignocellulosic waste were 60,98; 46,01 and 33,31 %, respectively. Analysis

adsorption isotherms determined that the laurel and canelo composites fit the Freundlich model, while eucalyptus fits

the Langmuir model. Additionally, the maximum remotion capacities of composites from laurel, canelo and

eucalyptus were 28,65; 21,46 and 8,22 mg/g, respectively.

Keywords: Lignocellulosic waste, magnetite nanoparticles, composites, adsorption.


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presentan ciertas desventajas tales como: baja eficiencia,

elevados requerimientos energéticos, además de generar

residuos tóxicos secundarios que requieren tratamientos

posteriores (Gupta y Babu, 2009). Por estos motivos, se busca

tratamientos alternativos que sean económicos, eficientes, de

fácil adaptación y baja contaminación, entre los cuales

sobresale la adsorción (Ali y Gupta, 2007). Su efectividad

depende de factores como la naturaleza de la solución a tratar,

el pH, el tiempo de contacto, la temperatura, el tamaño de las

moléculas, la concentración de los contaminantes e incluso del

tipo de adsorbente empleado (Aeisyah et al., 2013).

El adsorbente comúnmente empleado en la remoción de

metales pesados es el carbón activado, sin embargo, debido a

su elevado costo, ha generado la necesidad de buscar

materiales alternativos que sean económicos y de fácil

adquisición. Entre estos materiales destacan los residuos de

origen maderero, principalmente el aserrín, que debido a su

porosidad presentan una elevada superficie libre que facilita

el acceso de las soluciones acuosas a las estructuras de la

lignina y celulosa de su pared celular, las mismas que

intervienen en la remoción de metales pesados (Lee y Rowell,

2004).

En estos materiales el fenómeno de adsorción se produce por

la formación de enlaces entre los iones metálicos y el oxígeno

de los grupos funcionales ionizables presentes en la lignina y

la celulosa (Shukla et al., 2002). Este procedimiento se

explica mediante el siguiente mecanismo, donde R representa

la matriz del aserrín:

2(R ! COH) + M"# $ (R ! CO)"M+ 2H# (1)

R ! COH +MOH# $ R! COMOH+ H# (2)

2R ! COH +M(OH)" $ (R ! COH)"M(OH)" (3)

Las ecuaciones 1 y 2 representan la adsorción mediante

intercambio iónico, mientras que, la ecuación 3 representa la

formación de un enlace puente de hidrógeno entre el metal y

la matriz lignocelulósica (Shukla et al., 2002).

En la última década, la aplicación de la nanotecnología ha

permitido el desarrollo de adsorbentes más eficientes para la

remoción de iones metálicos de efluentes contaminados. Las

nanopartículas de magnetita son uno de estos adsorbentes que

actúan como un núcleo magnético y mejoran el proceso de

adsorción. Además, presentan beneficios como la fácil

recuperación, manipulación y generan menor contaminación

(Hua et al., 2012).

Gupta y Nayak (2012) emplearon residuos de cáscaras de

naranja impregnadas con nanopartículas de magnetita para el

tratamiento de efluentes contaminados con cadmio y

reportaron una remoción de 76,92 mg/g. De igual manera,

Panneerselvam et al. (2011) obtuvieron una remoción de

38,3 mg/g de níquel al utilizar residuos de té impregnados con

nanopartículas magnéticas. A su vez, López et al. (2012)

realizaron estudios sobre la remoción de arsénico con aserrín

de pino impregnado con hierro y consiguieron una remoción

de 12,85 mg/g.

En Ecuador se estima que existen 164 000 hectáreas de

plantaciones forestales cuyos principales productos son

tableros, aglomerados, MDF y productos de mayor valor

agregado. Por otro lado, la industria de la madera aserrada se

caracteriza por generar un alto porcentaje de desperdicio que

alcanza valores de hasta el 56 % (MAGAP, 2015). Por este

motivo, en el presente trabajo se propone el aprovechamiento

de estos residuos en la obtención de materiales compuestos

impregnados con nanopartículas de magnetita para la

remoción de zinc de soluciones sintéticas.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Reactivos

En la síntesis de las nanopartículas de magnetita se emplearon

los siguientes reactivos: cloruro férrico hexahidratado

[FeCl3.6H2O] (Lobachemie), sulfato ferroso heptahidratado

[FeSO4.7H2O] (Panreac) e hidróxido de amonio [NH4OH] al

29 % (FisherChemicals). Para los ensayos de remoción se

preparó una solución madre de 1000 mg/L de cloruro de zinc

[ZnCl2] (Merck). Los reactivos utilizados fueron de grado

analítico y las soluciones se prepararon con agua

ultrapurificada tipo 2.

2.2. Obtención de los materiales adsorbentes

Se realizaron procesos de acondicionamiento de tres

variedades de virutas de madera: canelo amarillo (Ocotea

javitensis), laurel (Cordia alliodora) y eucalipto (Eucalyptus

globulus). En primer lugar, se realizó el lavado con agua de las

materias primas hasta eliminar las impurezas presentes. A

continuación, fueron secadas a 100 ᵒC durante 12 h y

sometidas a un proceso de reducción de tamaño de partícula en

un molino de cuchillas. Las partículas obtenidas se clasificaron

mediante un arreglo de tamices y se seleccionó la fracción de

tamaños de partícula comprendida entre 74 y 150 µm (Argun

et al., 2007; Basso et al., 2002).

Los materiales compuestos se obtuvieron a partir de la síntesis

de nanopartículas de magnetita mediante el método de

precipitación controlada. Para esto, se disolvieron 6,1 g de

FeCl3.6H2O y 4,2 g de FeSO4.7H2O en 100 mL de agua. Esta

solución fue calentada hasta 35 °C con agitación de

1 250 min-1 y burbujeo constante de argón para generar una

atmósfera inerte. Inmediatamente, se adicionaron 10 mL de

NH4OH al 29 % y se dejó reaccionar durante 30 min (Kapur y

Mondal, 2015). Transcurrido este tiempo, se añadieron 3 g del

residuo lignocelulósico y se continuó la agitación durante 30

min a 35 °C (Gupta y Nayak, 2012).

La suspensión resultante se enfrió al ambiente y

posteriormente se realizaron lavados sucesivos con agua para

remover los componentes no reaccionados y neutralizar el pH

de la solución. A continuación, el precipitado fue separado

magnéticamente y secado a 70 ̊C durante 12 h. Por último, el

material compuesto con propiedades magnéticas se disgregó y


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almacenó. Este proceso se realizó para todos los residuos

lignocelulósicos (Cheng et al., 2012; Panneerselvam et al.,

2011; Shah et al., 2015).

2.3. Caracterización de los materiales adsorbentes

Para la composición química se consideró los porcentajes de

lignina (ASTM D1106-96), extractivos (ASTM D1110-84,

ASTM D1107-96), hemicelulosa (ASTM D1109-84) y el

porcentaje de celulosa que se determinó por diferencia (Lee y

Rowell, 2004). El análisis proximal de los residuos

lignocelulósicos se realizó a partir de los porcentajes de

humedad (ASTM D4442-07), cenizas (ASTM D1102-84),

materia volátil (ASTM E872–82) y el porcentaje de carbón fijo

determinado por diferencia (Bulut y Tez, 2007).

La identificación de los grupos funcionales en la superficie de

los residuos lignocelulósicos y de los materiales compuestos

se analizó mediante Espectroscopia Infrarroja por

Transformadas de Fourier en el equipo PerkinElmer Spectrum

Spotlight 200 en un rango comprendido entre 4 000 –

500 cm-1. La morfología de las superficies y el tamaño de

partícula de los materiales adsorbentes se determinaron con la

ayuda de un microscopio electrónico de barrido (Tescan Mira

3) y un microscopio electrónico de transmisión (TECNAI, G2

Spirit Twin de FEI), respectivamente. Para la determinación

de la estructura cristalina se empleó un difractómetro de rayos

X (Panalytical Empyrean) con una fuente de Cu Kα a 40 kV y

40 mA en un rango 2θ de 10 a 90 ̊ (Cheng et al., 2012; Kapur

y Mondal, 2015; Setyono y Valiyaveettil, 2014).

2.4. Estudios de adsorción

Con el fin de determinar el tiempo de contacto se realizaron

ensayos de remoción, en los que se adicionaron 0,5 g del

material compuesto del residuo de laurel a 100 mL de una

solución de 50 mg/L de zinc. La mezcla se agitó a 150 min-1 a

temperatura ambiente en un equipo de agitación orbital

durante 30, 45, 60, 120, 180, 240 y 300 min y se ajustó el pH

a 6 con la adición de soluciones de NaOH o HCl 0,1 M. Al

finalizar cada tiempo de contacto se decantó la suspensión con

la ayuda de un imán y se filtró gravimétricamente a través de

un papel filtro Whatman No. 2. A continuación, se analizó la

concentración de zinc residual en el sobrenadante con un

espectrofotómetro (HACH DR1900) según lo establecido en

el método APHA 3500-Zn. Todos los ensayos fueron

realizados por duplicado y se realizó el mismo procedimiento

para los residuos de canelo y eucalipto (Cheng et al., 2012;

Shah et al., 2015; Kapur y Mondal, 2015).

Una vez determinado el tiempo de contacto, se analizó el

efecto de la cantidad de material adsorbente. Para ello, se

adicionaron 0,3; 0,5; 0,7 y 1,0 g de cada uno de los materiales

adsorbentes a 100 mL de una solución de 50 mg/L de zinc.

Esta mezcla se agitó a 150 min-1 durante el tiempo de contacto

determinado anteriormente. Posteriormente, la suspensión fue

filtrada y el sobrenadante se analizó con un espectrofotómetro

(HACH DR1900) para determinar la concentración residual de

zinc y de esta manera establecer el porcentaje de remoción

(Bulut y Tez, 2007; Zach-Maor et al., 2011).

2.5. Isotermas de adsorción

Se elaboraron las isotermas de adsorción para los tres

materiales compuestos sintetizados con el tiempo de contacto

y la cantidad de material adsorbente determinados

previamente. Los ensayos consistieron en la adición del

material compuesto en 100 mL de soluciones de 25, 50, 100,

150, 200 y 300 mg/L de zinc. Estas soluciones se sometieron

a agitación constante de 150 min-1, a pH 6 y temperatura

ambiente durante el tiempo de contacto determinado. Una vez

transcurrido este tiempo, la suspensión fue filtrada y el

sobrenadante se analizó para determinar la concentración

residual de zinc. Para el estudio de las isotermas de adsorción,

se emplearon los modelos de Langmuir y Freundlich en sus

formas linealizadas, las cuales, se describen por las ecuaciones

(4) y (5), respectivamente.

%&' =

*,-.'/

+ *'/. Ce (4)

logq = *0 . logCe + logK1 (5)

Donde q es la cantidad de iones de zinc adsorbidos por

cantidad de material adsorbente (mg/g), Ce es la concentración

en el equilibrio de la solución tratada (mg/L), qm es la cantidad

necesaria de iones para formar una monocapa alrededor del

adsorbente (mg/g), KL representa la constante de Langmuir, KF

y n son las constantes de la ecuación de Freundlich (Šćiban et

al., 2007).

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Caracterización de los adsorbentes

La Tabla 1 muestra la composición química en base seca de

los residuos lignocelulósicos de: laurel, canelo y eucalipto. En

la Tabla 2 se presenta el análisis proximal de las maderas

empleadas en este estudio. De acuerdo con los resultados

obtenidos, el constituyente mayoritario en todas las muestras

analizadas corresponde a la holocelulosa (celulosa y

hemicelulosa) que se encuentra entre el 62 y 75 % de los

componentes totales. Los porcentajes de lignina obtenidos

están en el rango entre 18 y 31 %, siendo el laurel el que

presenta el mayor porcentaje, seguido por el canelo y por

último el eucalipto. Los materiales inorgánicos presentes en

los residuos lignocelulósicos que corresponden al porcentaje

de cenizas están en un rango entre 0,25 y 1,38 %.

Tabla 1. Composición química de los residuos lignocelulósicos

Constituyentes/Maderas Laurel Canelo Eucalipto

Celulosa (%) 50,20 53,49 58,44

Lignina (%) 31,84 28,28 18,28

Hemicelulosa (%) 12,76 12,45 16,01

Extractivos (%) 5,20 5,78 7,27


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Tabla 2. Análisis proximal de los residuos lignocelulósicos

Estos resultados concuerdan con lo establecido por Rowell

(2005), donde los mayores componentes químicos de la

madera son los carbohidratos (celulosa y hemicelulosa) que se

encuentran entre el 65 y 70 % y la lignina que varía entre el 18

y 35 %, mientras que, los materiales extractivos y el porcentaje

de cenizas conforman entre el 4 y 10 %. Según los estudios

realizados por Lee y Rowell (2004), la lignina juega un papel

significativo en la remoción de metales pesados debido a la

presencia de grupos fenólicos en su composición. Sin

embargo, éste no es el factor predominante, puesto que, existen

otros compuestos como la hemicelulosa que tienen en su

composición grupos carboxílicos ionizables que contribuyen a

la adsorción de los iones metálicos.

En la Figura 1 se muestran los espectros FTIR de los residuos

lignocelulósicos y sus respectivos materiales compuestos.

Figura 1. Espectros FTIR de (a) laurel, (a*) laurel + magnetita, (b) canelo,

(b*) canelo + magnetita, (c) eucalipto y (c*) eucalipto + magnetita

Para los residuos lignocelulósicos de laurel, canelo y eucalipto

se tienen bandas en 3 323, 3 341 y 3 322 cm-1 respectivamente,

las cuales representan los estiramientos de enlaces O-H

presentes en los grupos fenoles y alcoholes. De igual manera,

las bandas en 2 895, 2 895 y 2 903 cm-1 representan los

estiramientos de enlaces C-H de las cadenas alifáticas. A 1

733, 1 734 y 1 736 cm-1 se encuentra bandas correspondientes

a grupos C=O y en el rango de 1 800 a 900 cm-1 se tiene

la huella digital de los componentes principales de los residuos

lignocelulósicos, es decir, la lignina y la celulosa. Se puede

observar los picos característicos de la lignina para el laurel,

canelo y eucalipto en las bandas de 1 502, 1 505 y 1 502 cm-1

respectivamente, estas corresponden a la vibración del

esqueleto aromático del anillo de benceno. Las bandas que

aparecen en 1 733, 1 734 y 1 736 cm-1 para el laurel, canelo y

eucalipto, corresponden al grupo carbonilo representativo de

la celulosa y hemicelulosa. Los picos entre 1 154 – 1 024 cm-

1 representan los estiramientos vibracionales de los grupos C-

OH. Estos picos también se encuentran presentes en los

espectros de los materiales compuestos con la adición de una

banda a 577, 591 y 571 cm-1 para el laurel, canelo y eucalipto

respectivamente, que representan los estiramientos

vibracionales del enlace Fe-O de las nanopartículas de

magnetita, esto demuestra la presencia de las nanopartículas

de magnetita sobre la matriz lignocelulósica (Cheng et al.,

2012; Panneerselvam et al., 2011; Sundrarajan et al., 2012).

En la Figura 2 se muestra la micrografía MET de las

nanopartículas de magnetita impregnadas en la matriz

lignocelulósica. Se aprecia un aglomerado de tamaño superior

a 50 nm con partículas de forma esférica y diámetros de

partícula de aproximadamente 20 nm. Además, se observa que

no presenta una distribución uniforme de tamaños de partícula.

En los estudios realizados por Valenzuela et al. (2009) para la

síntesis de nanopartículas de magnetita con variación de la

velocidad de agitación, se obtuvieron partículas con un tamaño

promedio entre 10 y 19 nm y una geometría que varía entre

esférica y elíptica, similares a las obtenidas en este estudio.

En la Figura 3 se muestran las micrografías MEB de los

residuos lignocelulósicos y de los materiales compuestos.

Figura 2. Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas

en la matriz lignocelulósica

Constituyentes/Maderas Laurel Canelo Eucalipto

Materia Volátil (%) 70,94 78,70 81,52

Carbón fijo (%) 17,99 12,93 12,54

Cenizas (%) 1,38 0,16 0,25

Humedad (%) 9,69 8,21 5,69

(a)

(a*)

(b)

(b*)

(c)

(c*)

cm-1

cm-1

cm-1


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Las figuras (a), (b) y (c) muestran las superficies no

homogéneas con secciones lisas y la presencia de fibras en el

caso del canelo y el laurel. En las muestras (d), (e) y (f) se

observan superficies rugosas debido a la presencia de las

nanopartículas de magnetita, las cuales, se encuentran

recubriendo las superficies de los residuos lignocelulósicos.

Además, se observa la presencia de aglomerados de diversos

tamaños y formas irregulares que se forman debido a las

propiedades magnéticas de las nanopartículas y a la elevada

área superficial (Zhang et al., 2004).

La Figura 4 muestra los patrones de difracción de rayos X de

la magnetita y del material compuesto con matriz de laurel.

Figura 4. Patrón de difracción de rayos X de: (a) laurel + magnetita y

(b) nanopartículas de magnetita

En los patrones de rayos X se observan picos a 30,0 ;̊ 35,5 ̊; 43,0 ̊; 53,5 ;̊ 57,0 ̊; 62,5 ̊ correspondientes a los índices (220),

(311), (400), (422), (511) y (440) que son propios de una

estructura de espinel cúbico de la magnetita (Petcharoen y

Sirivat, 2012). Con base en estos resultados, se puede

comprobar la presencia de magnetita en el material compuesto,

lo cual corrobora los resultados obtenidos en las micrografías

MEB. Este mismo comportamiento se observa para los

materiales compuestos de canelo y eucalipto.

3.2. Estudios de adsorción

La Figura 5 muestra el efecto del tiempo de contacto de los

materiales compuestos con la solución de zinc tratada.

Inicialmente, se aprecia que las tres variedades de residuos

lignocelulósicos muestran un mismo comportamiento para la

remoción de zinc. Es decir, en los primeros minutos existe una

tasa elevada de remoción, sin embargo a partir de los

60 minutos esta tasa decrece significativamente. Según Zhang

et al. (2013) durante los primeros minutos, el adsorbente

presenta una gran cantidad de sitios activos libres, y conforme

avanza el proceso de adsorción son ocupados por los iones de

zinc. Además, generan fuerzas repulsivas hacia los iones aún

presentes en la solución tratada lo que dificulta el

aprovechamiento de todos los sitios activos en la superficie del

adsorbente. Se establece además que el material compuesto de

laurel permite obtener el mayor porcentaje de remoción,

seguido por el canelo y finalmente el eucalipto.

(b)

(a)

Figura 3. Micrografías MEB de: (a) eucalipto, (b) canelo, (c) laurel, (d) eucalipto + magnetita, (e) canelo + magnetita y (f) laurel + magnetita

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)


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Figura 5. Efecto del tiempo de contacto en la remoción de zinc con

materiales compuestos (volumen de solución 100 mL; concentración

50 mg/L; cantidad de adsorbente 0,5 g; pH 6; velocidad de agitación

150 min-1)

Cabe recalcar, que estos resultados concuerdan con el

porcentaje de lignina mostrado en la Tabla 1. Por lo tanto, se

puede establecer que uno de los factores que intervienen en la

remoción de zinc es la cantidad de lignina presente en la matriz

del material compuesto. Se observa que a partir de los

60 minutos el porcentaje de remoción alcanzado para los tres

materiales compuestos supera el 95 % y que a partir de los

180 minutos este valor se mantiene en 97 %, lo que indica que

se alcanzó el equilibrio en la remoción. Por lo tanto, para los

siguientes ensayos se consideró un tiempo de contacto de

180 minutos.

La Figura 6 muestra el efecto de la cantidad de residuo

lignocelulósico en la remoción de zinc de soluciones

sintéticas. Se observa que para las 3 variedades de residuo

lignocelulósico se tiene la misma tendencia, además, el tipo de

residuo lignocelulósico y la cantidad de adsorbente influyen

directamente en la eficiencia de la adsorción. También, se

muestra que al emplear 1 g de material adsorbente se alcanza

la máxima remoción y que el mayor valor obtenido

correspondiente al 60,98 % se logra al emplear los residuos de

laurel, ya que este presenta en su estructura un mayor

contenido de lignina y por ende una mayor cantidad de grupos

funcionales.

Figura 6. Efecto de la cantidad de los residuos lignocelulósicos en la

remoción de zinc (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L,

pH 6, velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h)

Este comportamiento, se debe a que el pH de la solución

provoca que los grupos funcionales se deprotonen y a

consecuencia de ello la superficie de los residuos

lignocelulósicos se carga negativamente y de esta manera se

genera un intercambio iónico entre los cationes de zinc y los

grupos funcionales (Wan, W. y Hanafiah, 2008).

En la Figura 7 se muestra la influencia de la cantidad de

material compuesto en la remoción de zinc de soluciones

sintéticas. Se observa que se alcanza una máxima remoción de

98,95; 98,80 y 97,60 % para laurel, canelo y eucalipto,

respectivamente, con el empleo de 7 g/L de material

adsorbente. Además, se puede observar que con 10 g/L de

adsorbente el porcentaje de remoción obtenido no se

incrementa. Esto se debe a que al emplear mayores cantidades

de material compuesto, existe una mayor disputa de los sitios

activos disponibles. Asimismo, el número de aglomerados se

incrementa cuando se tiene mayor cantidad de material

adsorbente, lo cual, provoca que la trayectoria de difusión sea

mayor y se dificulte el proceso de adsorción. Por lo tanto, no

se justifica trabajar con valores superiores a 7 g/L de

adsorbente (Shukla et al., 2002).

Al comparar los resultados obtenidos en la remoción de zinc

entre los residuos lignocelulósicos y los materiales

compuestos se observa que para el caso del laurel, el

porcentaje de remoción aumenta del 60,98 al 98,95 %. Esto

ocurre debido a la presencia de las nanopartículas de magnetita

en la matriz lignocelulósica, las cuales, incrementan de manera

considerable el área superficial como resultado de su tamaño

de partícula. Adicionalmente, los átomos de Fe y O presentes

en la superficie de las nanopartículas absorben radicales OH-

de la solución lo que provoca que su superficie se vuelva rica

en grupos OH-, esto genera un incremento de las interacciones

entre estos grupos y los iones metálicos en la solución, lo que

hace más eficiente el proceso de remoción (Nethaji et al.,

2013). De acuerdo con los resultados obtenidos al emplear los

residuos lignocelulósicos y los materiales compuestos, se

aprecia que existe una misma tendencia para la remoción de

zinc en función del porcentaje de lignina. Es decir, el material

que presenta en su estructura un mayor porcentaje de lignina,

alcanza un mayor porcentaje de remoción.

Figura 7. Efecto de la cantidad de material compuesto en la remoción de

zinc (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6, velocidad

de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h)

Re

mo

ció

n (

%)

Tiempo (min)

CaneloEucaliptoLaurel0

20

40

60

80

100

0 30 45 60 120 180 240 300

98,87

60,98

97,20


__________________________________________________________________________________________________________________________

En la Tabla 3 se presentan los parámetros de las isotermas de

Freundlich y Langmuir para los tres materiales compuestos

obtenidos.

Tabla 3. Parámetros de las Isotermas de adsorción para la remoción de zinc

con los materiales compuestos

Parámetros Freundlich Parámetros Langmuir

Materiales Compuestos

KF n R2 KL 3 4567 qm 3566 7 R2

Laurel 15,524 0,782 0,988 0,339 28,653 0,975

Canelo 11,387 0,687 0,982 0,319 21,459 0,930

Eucalipto 6,053 0,440 0,974 0,401 8,217 0,986

En primer lugar, los coeficientes de correlación calculados,

para el laurel y el canelo, indican que el modelo que mejor se

ajusta al proceso de adsorción es el de Freundlich. Por lo tanto,

se establece una adsorción multicapa sobre una superficie

heterogénea. Mientras que, para el eucalipto el proceso de

remoción se ajusta al modelo de Langmuir, lo que indica una

adsorción monocapa sobre un adsorbente de superficie

homogénea (Afkhami et al., 2010). Una adsorción en

monocapa implica que la superficie es energéticamente

homogénea y la cantidad de zinc adsorbida en cada sitio activo

de la superficie es la misma. Mientras que, la adsorción en

multicapa se caracteriza por tener una superficie

energéticamente heterogénea en la cual, los sitios activos

presentan una diferente capacidad de adsorción para una

misma superficie. Por esta razón, es necesario buscar técnicas

que permitan incrementar la capacidad de adsorción del

material tales como: la obtención de nanopartículas de menor

tamaño que generen una mayor área superficial, el empleo de

tensoactivos que eviten o disminuyan la formación de

aglomeraciones, modificaciones en la matriz para obtener

sitios activos más homogéneos.

De acuerdo con los valores de la capacidad máxima de

remoción (qm) para la isoterma de Langmuir, se tiene que el

material compuesto de laurel presenta la máxima capacidad de

remoción, seguida del canelo y por último el eucalipto. Esto

corrobora los resultados obtenidos en este estudio y se

comprueba además la influencia de la cantidad de lignina

presente en la matriz lignocelulósica. Afkhami et al. (2010)

establecen que para la isoterma de Freundlich, a mayores

valores de n y KF se favorece el fenómeno de adsorción. Por

esta razón al emplear el laurel como matriz del material

compuesto se alcanzaron los mayores porcentajes de remoción

de zinc.

4. CONCLUSIONES

La caracterización del material reportó que los residuos de

laurel, canelo y eucalipto presentan en su composición un

porcentaje de lignina de 31,84; 28,28 y 18,28 %,

respectivamente y celulosa con valores de 50,20; 53,49 y

58,44 %.

Mediante los análisis de DRX, FTIR, MET y MEB se

demostró que se obtuvieron nanopartículas de magnetita con

diámetros de partícula inferiores a 50 nm y que efectivamente

están impregnadas en las matrices lignocelulósicas.

Los resultados obtenidos en la remoción de zinc muestran que

para un tiempo de contacto de 3 h y una cantidad de adsorbente

de 7 g/L se alcanza un máximo porcentaje de remoción

correspondiente al 98,95; 98,80 y 97,61 % mediante el uso de

los materiales compuestos de laurel, canelo y eucalipto,

respectivamente.

Los materiales compuestos obtenidos a partir de la

impregnación de nanopartículas de magnetita en las matrices

lignocelulósicas de laurel, canelo y eucalipto muestran un

incremento en la remoción de zinc del 79,68; 172,25 y

282,18 % con respecto a sus correspondientes residuos

lignocelulósicos.

Los parámetros resultantes de las isotermas de adsorción

mostraron que los materiales compuestos de laurel y canelo se

ajustan al modelo de Freundlich, mientras que el eucalipto se

ajusta al modelo de Langmuir.

Las capacidades máximas de remoción (qm) para los

materiales compuestos de laurel, canelo y eucalipto fueron de

28,65; 21,46 y 8,22 mg/g, respectivamente.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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9

FICHAS TÉCNICAS

10

FICHA TÉCNICA I

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD DE LOS

RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS

El objetivo de este análisis es determinar el contenido de humedad de los residuos

lignocelulósicos. El procedimiento se realizó con base en la norma ASTM D4442-

07 “Medición del contenido de humedad directa de la madera y materiales basados

en madera”.

Tabla FTI. 1 Valores del porcentaje de humedad del aserrín de laurel

Muestra Peso inicial del aserrín (g) Peso del aserrín seco (g) Humedad (%)

1 2,0019 1,8278 9,5251

2 2,0021 1,8297 9,4223

3 2,0014 1,8245 9,6958

4 2,0019 1,8242 9,7413

5 2,0009 1,8214 9,8551

6 2,0087 1,8333 9,5674

7 2,0017 1,8217 9,8809

8 2,0015 1,8240 9,7314

89:;5<>?> = (@ABA9DEDFDAGI@ABA9BJFA)@ABA9BJFA × LNN9 [FT I.

1]

Ejemplo de cálculo:

89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9(UVWX#UVYZ#UV[N#UV[Y#UV\]#UVW[#UV\\#UV[X)\

89:;5<>?>9PQS5<>TS = ^V_`ab8

11

Tabla FTI. 2 Valores del porcentaje de humedad del aserrín de canelo


1 2,0060 2,0060 8,4324

2 2,0040 2,0040 8,7594

3 2,0010 2,0010 8,0454

4 2,0010 2,0010 7,9870

5 2,0005 2,0005 8,1585

6 2,0024 2,0024 8,1151

7 2,0046 2,0046 8,0763

8 2,0022 2,0022 8,1043


89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9(\VYX#\V[]#\VNW#[VUU#\VL]#\VLZ#\VN\#\VLN)\

89:;5<>?>9PQS5<>TS = `V2c^`8

Tabla FTI. 3 Valores del porcentaje de humedad del aserrín de eucalipto


1 2,0027 1,8979 5,5219

2 2,0014 1,8942 5,6594

3 2,0061 1,8953 5,8460

4 2,0049 1,8915 5,9952

5 2,0068 1,8975 5,7602

6 2,0040 1,8933 5,2134

7 2,0093 1,8958 5,9869

8 2,0037 1,8985 5,5412


89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9(WVWZ#WV]W#WV\Y#WVUU#WV[]#WV\Y#WVU\#WVWY)\

89:;5<>?>9PQS5<>TS = dV_^cd8

12

FICHA TÉCNICA II

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE LOS COMPONENTES

VOLÁTILES DE LOS RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS

El objetivo de este análisis es determinar el porcentaje de productos gaseosos

presentes en los residuos lignocelulósicos. El procedimiento se realizó con base en

la norma ASTM E872-82 “La materia volátil en el análisis de los combustibles de

madera particulados”.

Tabla FTII. 2 Valores del porcentaje de los componentes volátiles del aserrín de laurel

Peso inicial (g) Peso final (g) Peso crisol (g) Masa perdida (%) Materia volátil (%)

34,8830 33,2521 32,8595 80,5980 70,9079

34,8841 33,2511 32,8595 80,6579 70,9678

89f?h?9P<Q>T>? = (@ABA9DEDFDAGI@ABA9iDEAG)

(@ABA9DEDFDAGI@ABA9FjDBkG)× LNN9 [FT

II. 2]

89f?m<QT?9nSpámTp = 8rABA9sJjtDtA !8uv@JtAt9 [FT II. 2]

Ejemplo de Cálculo:

89f?h?9P<Q>T>? = (wbV``wc ! wwV2d2x)(wbV``wc ! w2V`d^d) × xcc

89f?h?9P<Q>T>? = `cVd^`c8

89f?m<QT?9nSpámTp = `cVd^`c ! ^V_`ab

89f?m<QT?9nSpámTp = [NV UN[U8

89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9([NV UN[U + [NV U][\)Z

89:;5<>?>9PQS5<>TS = acV^wa^8

13

Tabla FTII. 2 Valores del porcentaje de los componentes volátiles del aserrín de canelo


36,6073 34,8165 34,5481 86,9658 78,7561

34,1914 32,4405 32,1754 86,8502 78,6405


89f?h?9P<Q>T>? = (w_V_caw ! wbV`x_d)(wbVx^xb ! w2Vbbcd) × xcc

89f?h?9P<Q>T>? = `_V^_d`8

89f?m<QT?9nSpámTp = `_V^_d` ! `V2c^`

89f?m<QT?9nSpámTp = [\V [W]L8

89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9([\V [W]L + [\V ]YNW)Z

89:;5<>?>9PQS5<>TS = a`V_^`w8

Tabla FTII. 3 Valores del porcentaje de los componentes volátiles del aserrín de eucalipto


36,9680 35,2093 34,9432 86,8580 81,1639

35,8793 34,1286 33,8656 86,9395 81,2454


89f?h?9P<Q>T>? = (w_V^_`c ! wdV2c^w)(w_V^_`c ! wbV^bw2) × xcc

89f?h?9P<Q>T>? = `_V`d`c8

89f?m<QT?9nSpámTp = `_V`d`c ! dV_^cd

89f?m<QT?9nSpámTp = \LV L]XU8

89:;5<>?>9PQS5<>TS = 9(\LV L]XU + \LV ZYWY)Z

89:;5<>?>9PQS5<>TS = `xVd2xb8

14

FICHA TÉCNICA III

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CENIZAS DE LOS


El objetivo de este análisis es determinar la cantidad aproximada del contenido de

minerales y otras materias inorgánicas presentes en los residuos lignocelulósicos.

El procedimiento se realizó con base en la norma ASTM D1102-84 “Método de

prueba estándar para la ceniza en la madera”.

Tabla FTIII. 1 Valores del porcentaje de cenizas del aserrín de laurel

No. muestra Peso aserrín (g) Peso aserrín seco (g) Peso cenizas (g) Cenizas (%)

1 2,0017 1,8217 0,0248 1,3614

2 2,0015 1,8240 0,0255 1,3980

89y<zT{?h = |<hS9}<zT{?h|<hS95;<hmQ?9h<}?× LNN9 [FT III. 3]


89~�� = cVc2b`xV`2xa × xcc

89~�� = xVw_xb8

89y<zT{?h9�� = 9(xVw_xb + xVw^`c)Z

89y<zT{?h9�� = xVwa^a8

15

Tabla FTIII. 2 Valores del porcentaje de cenizas del aserrín de canelo


1 2,0005 1,8496 0,0029 0,1568

2 2,0024 1,8521 0,0032 0,1728


89~�� = cVcc2^xV`b^_ × xcc

89~�� = cVxd_`8

89y<zT{?h9�� = 9(cVxd_` + cVxa2`)Z

89y<zT{?h9�� = cVx_w`8

Tabla FTIII. 2 Valores del porcentaje de cenizas del aserrín de eucalipto


1 2,0093 1,8958 0,0049 0,2585

2 2,0037 1,8985 0,0047 0,2476


89~�� = cVccb^xV`bd` × xcc

89~�� = cV2d`d8

89y<zT{?h9�� = 9(cV2d`d + cV2da_)Z

89y<zT{?h9�� = cV2dwc8

16

FICHA TÉCNICA IV

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE COMPONENTES

EXTRACTIVOS EN LOS RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS

El objetivo de este análisis es determinar el contenido de componentes extractivos

como taninos, azúcares, gomas, almidón, resinas, grasas y aceites que se

encuentran presentes en los residuos lignocelulósicos. El procedimiento se realizó

con base en las normas ASTM D1107-96 y ASTM D1110-84 “Método de prueba

estándar para la materia soluble en etanol – tolueno de la madera” y “Método de

prueba estándar para la materia soluble en agua de la madera”, respectivamente.

Tabla FTIV. 1 Porcentaje de materia soluble en etanol-benceno del aserrín de laurel

No. Muestra

Peso aserrin (g)

Aserrin seco (g)

Peso extracto seco (g)

Materia soluble en etanol-benceno (%)

1 2,0053 1,8112 0,0464 2,5617

2 2,0017 1,8080 0,0435 2,4059

Tabla FTIV. 2 Porcentaje de materia soluble en agua del aserrín de laurel

No. Muestra

Peso aserrín (g)

Peso aserrín seco (g)


Materia soluble en agua (%)

1 2,0014 1,8245 1,7789 2,4993

2 2,0019 1,8242 1,7707 2,9328

Tabla FTIV. 3 Porcentaje de materia soluble en etanol-benceno del aserrín de canelo

No. Muestra

Peso aserrín (g)




1 2,0012 1,8369 0,0276 1,5025

2 2,0045 1,8399 0,0311 1,6903

17

Tabla FTIV. 4 Porcentaje de materia soluble en agua del aserrín de canelo

No. Muestra

Peso aserrín (g)




1 2,001 1,852 1,774 4,2117

2 2,001 1,853 1,776 4,1554

Tabla FTIV. 5 Porcentaje de materia soluble en etanol-benceno del aserrín de eucalipto

No. Muestra

Peso aserrin (g)

Aserrin seco (g)



1 2,0066 1,8924 0,0466 2,4625

2 2,0039 1,8899 0,0478 2,5293

Tabla FTIV. 6 Porcentaje de materia soluble en agua del aserrín de eucalipto

No. Muestra

Peso aserrín (g)




1 2,0061 1,8953 1,8048 4,7750

2 2,0049 1,8915 1,8052 4,5625

89f?m<QT?9hSp;�p<9<z9?6;? = (|<hS95;<hmQ?9h<}?I|<hS9<�mQ?}mS)|<hS95;<hmQ?9h<}? × LNN [FT

IV. 4]


89f?m<QT?9hSp;�p<9<z9?6;? = (xV`^dw ! xV`cb`)xV`^dw × LNN

899f?m<QT?9hSp;�p<9<z9?6;? = bVaadc8

899f?m<QT?9hSp;�p<9<z9?6;?9PQS5<>TS = 9(bVaadc + bVd_2d)Z

899f?m<QT?9hSp;�p<9<z9?6;?9PQS5<>TS = bV__`a8

18

FICHA TÉCNICA V

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE LIGNINA EN LOS


El objetivo de este análisis es determinar el contenido de lignina insoluble en ácido

en los residuos lignocelulósicos. El procedimiento se realizó con base en la norma

ASTM D1106-96 “Método de prueba estándar para la lignina insoluble en ácido en

la madera”.

Tabla FTV. 1 Valores del porcentaje de lignina del aserrín de laurel

No. Muestra Peso aserrin (g) Aserrin seco (g) Peso Lignina (g) Lignina (%)

1 2,0053 1,8112 0,5664 31,2714

2 2,0017 1,8080 0,5858 32,4006

Tabla FTV. 2 Valores del porcentaje de lignina del aserrín de canelo


1 2,0012 1,8369 0,5091 27,7151

2 2,0045 1,8399 0,5306 28,8380

Tabla FTV. 3 Valores del porcentaje de lignina del aserrín de eucalipto


1 2,0066 1,8924 0,3434 18,1461

2 2,0039 1,8899 0,3739 19,7845

894T6zTz? = (|<hS9<�mQ?}mS)|<hS95;<hmQ?9h<}?× LNN [FT

V. 5]

19


894T6zTz? = cVd__bxV`xx2 × LNN

894T6zTz? = wxV2axb8

894T6zTz?9PQS5<>TS = 9(wxV2axb + w2Vbcc_)Z

894T6zTz?9PQS5<>TS = wxV`w_c8

20

FICHA TÉCNICA VI

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HEMICELULOSA EN

LOS RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS

El objetivo de este análisis es determinar los componentes solubles en una solución

alcali, la cual permitirá la extracción de carbohidratos de bajo peso molecular,

principalmente hemicelulosa. El procedimiento se realizó con base en la norma

ASTM 1109-84 “Método de prueba estándar para la solubilidad de la madera en

hidróxido de sodio al 1%”.

Tabla FTVI. 1 Valores del porcentaje de hemicelulosa del aserrín de laurel

No. Muestra

Peso aserrín (g)

Peso aserrin seco (g)

Peso extracto (g)

Hemicelulosa (%)

1 2,0009 1,8214 1,5892 12,7484

2 2,0087 1,8333 1,5992 12,7693

Tabla FTVI. 2 Valores del porcentaje de hemicelulosa del aserrín de canelo

Muestra No.

Peso aserrín (g)


Peso extracto (g)

Hemicelulosa (%)

1 2,0046 1,8548 1,6185 12,7399

2 2,0022 1,8521 1,6268 12,1646

Tabla FTVI. 3 Valores del porcentaje de hemicelulosa del aserrín de eucalipto

No. Muestra

Peso aserrin (g)


Peso extracto (g)

Hemicelulosa (%)

1 2,0068 1,8975 1,5900 16,2055

2 2,0040 1,8933 1,5937 15,8242

89:<5T}<p;pSh? = (|<hS95;<hmQ?9h<}?I|<hS9<�mQ?}mS)|<hS95;<hmQ?9h<}? × LNN [FT

VI. 6]

21


89:<5T}<p;pSh? = (xV`^ad ! xVd^cc)xV`^ad × LNN

89:<5T}<p;pSh? = x_V2cdd8

89:<5T}<p;pSh?9PQS5<>TS = 9(x_V2cdd + xdV`2b2)Z

89:<5T}<p;pSh?9PQS5<>TS = x_Vcxb`8

22

FICHA TÉCNICA VII

ESPECTROSCOPIA INFRARROJA POR TRANSFORMADAS DE

FOURIER (FTIR)

El objetivo de este análisis es determinar los grupos funcionales presentes en la

superficie de los residuos lignocelulósicos y de los materiales compuestos.

Figura FT VII.1 Espectro IR de residuos lignocelulósicos de canelo

23

Figura FT VII.2 Espectro IR de canelo + nanopartículas de magnetita

Figura FT VII.3 Comparación espectros IR de canelo y canelo + nanopartículas de

magnetita

24

Figura FT VII.4 Espectro IR de residuos lignocelulósicos de eucalipto

Figura FT VII.5 Espectro IR de eucalipto + nanopartículas de magnetita

25

Figura FT VII.6 Comparación espectros IR de eucalipto y eucalipto + nanopartículas de

magnetita

Figura FT VII.7 Espectro IR de residuos lignocelulósicos de laurel

26

Figura FT VII.8 Espectro IR de laurel + nanopartículas de magnetita

Figura FT VII.9 Comparación espectros IR de laurel y laurel + nanopartículas de

magnetita

27

FICHA TÉCNICA VIII

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN (MET)

El objetivo de este análisis es determinar el tamaño de partícula de las

nanopartículas de magnetita y de las nanopartículas de magnetita en los materiales

compuestos.

Figura FT VIII.1 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita

28

Figura FT VIII.2 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita

Figura FT VIII.3 Micrografía MET de las nanopartículas de magnetita soportadas en la

matriz lignocelulósica de canelo

29


matriz lignocelulósica de canelo


matriz lignocelulósica de eucalipto

30


matriz lignocelulósica de eucalipto


matriz lignocelulósica de laurel

31


matriz lignocelulósica de laurel

32

FICHA TÉCNICA IX

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB)

El objetivo de este análisis es observar la microestructura de los residuos

lignocelulósicos y de los materiales compuestos y establecer comparaciones entre

los mismos.

Figura FT IX.1 Micrografía MEB de residuos lignocelulósicos de

laurel magnificación 150X

33

Figura FT IX.2 Micrografía MEB de laurel + nanopartículas de magnetita

magnificación 150X



34


magnificación 1000X



35


magnificación 2000X


canelo magnificación 100X

36

Figura FT IX.8 Micrografía MEB de canelo + nanopartículas

de magnetita magnificación 100X



37





38




eucalipto magnificación 100X

39

Figura FT IX.14 Micrografía MEB de eucalipto + nanopartículas




40





41



42

FICHA TÉCNICA X

DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX)

El objetivo de este análisis es determinar la estructura cristalina de la magnetita

presente en los materiales compuestos.

Figura FT X.1 Patrón de difracción de Rayos X de las nanopartículas de magnetita

43

Figura FT X.2 Patrón de difracción de Rayos X de canelo + nanopartículas de magnetita

Figura FT X.3 Patrón de difracción de Rayos X de eucalipto + nanopartículas de

magnetita

Figura FT X.4 Patrón de difracción de Rayos X de laurel + nanopartículas de magnetita

44

Figura FT X.5 Comparación de patrones de difracción de Rayos X de residuos

lignocelulósicos + nanopartículas de magnetita

45

FICHA TÉCNICA XI

DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE CONTACTO

El objetivo de este análisis es determinar el tiempo de contacto que permita

alcanzar la mayor remoción de zinc de soluciones sintéticas con el empleo de los

diferentes materiales compuestos.

Tabla FTXI.1 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de canelo

(volumen de solución 100 mL; concentración 50 mg/L; cantidad de adsorbente 0,5 g; pH 6;

velocidad de agitación 150 min-1)

Tiempo (min) Zinc (mg/L)

Remoción (%) Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio

0 50 50 50 0

30 33,12 31,85 32,49 35,03%

45 10,43 12,16 11,30 77,41%

60 2,23 2,08 2,16 95,69%

120 1,91 1,88 1,90 96,21%

180 1,65 1,73 1,69 96,62%

240 1,45 1,51 1,48 97,04%

300 1,40 1,43 1,42 97,17%

Tabla FTXI.2 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de

eucalipto (volumen de solución 100 mL; concentración 50 mg/L; cantidad de adsorbente

0,5 g; pH 6;




0 50 50 50 0

30 35,16 33,87 34,52 30,97

45 16,32 15,63 15,98 68,05

60 2,82 2,44 2,63 94,74

120 2,11 2,30 2,21 95,59

180 1,97 1,89 1,93 96,14

240 1,62 1,56 1,59 96,82

300 1,45 1,48 1,47 97,04

46

Tabla FTIX.3 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de laurel

(volumen de solución 100 mL; concentración 50 mg/L; cantidad de adsorbente 0,5 g; pH 6;




0 50 50 50 0

30 31,27 29,64 30,46 39,09

45 7,03 8,17 7,60 84,80

60 1,78 1,76 1,77 96,46

120 1,57 1,56 1,57 96,87

180 1,23 1,32 1,28 97,45

240 1,18 1,09 1,14 97,73

300 0,96 0,78 0,87 98,26

47

FICHA TÉCNICA XII

DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE MATERIAL

ADSORBENTE

El objetivo de este análisis es determinar la cantidad de residuos lignocelulósicos y

de materiales compuestos necesaria para la mayor remoción de zinc de soluciones

sintéticas.

Tabla FTXII.1 Datos de concentración residual de zinc con residuos lignocelulósicos de

canelo (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6,

velocidad de agitación 150 min-1, tiempo de contacto 3 h)

Cantidad de adsorbente (g/L)

Zinc (mg/L) Remoción (%)

Ensayo 1 Ensayo 2 Promedio

3 39 37,56 38,28 21,88

5 37 35,46 36,23 26,06

7 31 32,71 31,86 34,99

10 27 25,91 26,46 46,01


eucalipto (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6,





3 44 42,33 43,17 11,91

5 41 39,25 40,13 18,11

7 36,5 37,96 37,23 24,02

10 33 32,36 32,68 33,31

48


laurel (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6,





3 34 34,89 34,45 29,70

5 30 31,82 30,91 36,92

7 23 21,93 22,47 54,15

10 20 18,24 19,12 60,98

Tabla FTXII.4 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de canelo

(volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6,





3 1,77 1,62 1,70 96,61

5 1,16 1,03 1,10 97,81

7 0,58 0,62 0,60 98,80

10 0,63 0,76 0,70 98,61

Tabla FTXII.5 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de

eucalipto (volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6,





3 1,83 2,11 1,97 96,06

5 1,45 1,39 1,42 97,16

7 1,14 1,25 1,20 97,61

10 1,11 1,21 1,16 97,68

49

Tabla FTXII.6 Datos de concentración residual de zinc con material compuesto de laurel

(volumen de solución 100 mL, concentración 50 mg/L, pH 6,





3 1,52 1,55 1,535 96,93

5 0,96 0,93 0,945 98,11

7 0,53 0,52 0,525 98,95

10 0,55 0,53 0,54 98,92

50

FICHA TÉCNICA XIII

ELABORACIÓN DE LAS ISOTERMAS DE ADSORCIÓN

El objetivo es determinar el modelo de adsorción al cual se ajustan de mejor manera

los materiales compuestos obtenidos.

En primer lugar se empleó la forma linealizada de Langmuir que se describe en la

ecuación FT XIII.1

%&' =

*,-.'/

+ *'/. Ce [FT XIII.1]

Donde q es la cantidad de iones de zinc adsorbidos por cantidad de material

adsorbente (mg/g), Ce es la concentración en el equilibrio de la solución tratada

(mg/L), qm es la cantidad necesaria de iones para formar una monocapa alrededor

del adsorbente (mg/g), KL representa la constante de Langmuir.

En las tablas FTXII.1, FTXIII.2 y FTXIII.3 se presentan los datos necesarios para

determinar los parámetros de adsorción de Langmuir de los materiales compuestos

empleados, canelo, eucalipto y laurel respectivamente.

Tabla FTXIII.1 Datos requeridos para la determinación de los parámetros de adsorción de

Langmuir para canelo + nanopartículas de magnetita.

Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m ads (g) 1/q 1/Ce

25 0,49 3,50 0,7006 0,2858 2,0408

50 0,62 7,05 0,7007 0,1419 1,6129

100 1,21 14,11 0,7003 0,0709 0,8264

150 1,61 21,18 0,7007 0,0472 0,6211

200 1,85 28,28 0,7007 0,0353 0,5405

300 2,39 42,47 0,7008 0,0235 0,4184

51


Langmuir para eucalipto + nanopartículas de magnetita.


25 0,74 3,46 0,7019 0,2893 1,3513

50 1,19 6,97 0,7005 0,1435 0,8403

100 1,50 14,03 0,702 0,0712 0,6667

150 1,65 21,15 0,7014 0,0473 0,6061

200 1,87 28,21 0,7023 0,0354 0,5346

300 2,37 42,43 0,7015 0,0236 0,4219


Langmuir para laurel + nanopartículas de magnetita.


25 0,34 3,52 0,7008 0,2841 2,9411

50 0,53 7,06 0,7003 0,1415 1,8867

100 0,82 14,15 0,7007 0,0706 1,2195

150 1,23 21,21 0,7013 0,0471 0,8130

200 1,74 28,22 0,7026 0,0354 0,5747

300 2,23 42,52 0,7003 0,0235 0,4484

Posteriormente, se empleó la forma linealizada de Freundlich que se describe en la

ecuación FT XIII.2

log q = *0 . logCe + logK1 [FT XIII.2]

Donde q es la cantidad de iones de zinc adsorbidos por cantidad de material

adsorbente (mg/g), Ce es la concentración en el equilibrio de la solución tratada

(mg/L), qm es la cantidad necesaria de iones para formar una monocapa alrededor

del adsorbente (mg/g), KF y n son las constantes de la ecuación de Freundlich

En las tablas FTXII.4, FTXIII.5 y FTXIII.6 se presentan los datos necesarios para

determinar los parámetros de adsorción de Freundlich de los materiales

compuestos empleados, canelo, eucalipto y laurel respectivamente.

52


Freundlich para canelo + nanopartículas de magnetita.

Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m Ads (g) log q log Ce

25 0,49 3,50 0,7006 0,5438 -0,3098

50 0,62 7,05 0,7007 0,8480 -0,2076

100 1,21 14,11 0,7003 1,1494 0,0828

150 1,61 21,18 0,7007 1,3259 0,2068

200 1,85 28,28 0,7007 1,4515 0,2672

300 2,39 42,47 0,7008 1,6280 0,3783


Freundlich para eucalipto + nanopartículas de magnetita.

Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m ads (g) log q log Ce

25 0,74 3,46 0,7019 0,5386 -0,1307

50 1,19 6,97 0,7005 0,8431 0,0755

100 1,50 14,03 0,702 1,1470 0,1761

150 1,65 21,15 0,7014 1,3253 0,2175

200 1,87 28,21 0,7023 1,4504 0,2718

300 2,37 42,43 0,7015 1,6276 0,3747


Freundlich para laurel + nanopartículas de magnetita.

Co (mg/L) Ce (mg/L) q = (Co-Ce)*V/m m ads (g) log q log Ce

25 0,34 3,52 0,7008 0,5464 -0,4685

50 0,53 7,06 0,7003 0,8491 -0,2757

100 0,82 14,15 0,7007 1,1509 -0,0862

150 1,23 21,21 0,7013 1,3266 0,0899

200 1,74 28,22 0,7026 1,4505 0,2405

300 2,23 42,52 0,7003 1,6286 0,3483

53

Figura FT XIII.1 Determinación gráfica de las constantes de Langmuir para materiales

compuestos de laurel, canelo y eucalipto

Figura FT XIII.1 Determinación gráfica de las constantes de Freundlich para materiales

compuestos de laurel, canelo y eucalipto

y = 0,103x - 0,0349

R² = 0,9745

y = 0,1459x - 0,0466

R² = 0,9298

y = 0,3032x - 0,1217

R² = 0,9856

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Isoterma de Langmuir

Laurel

Canelo

Eucalipto

y = 1,2786x + 1,191

R² = 0,9877

y = 1,4565x + 1,0564

R² = 0,9817

y = 2,2747x + 0,782

R² = 0,9739

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Isoterma de Freundlich

Laurel

Canelo

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