Eliminació de metalls en dissolucions aquoses mitjançant extracte de rapa de raïm encapsulat en perles d’alginat de calci

Abstract

La contaminació de les aigües, principalment deguda a l’activitat minera, genera altes concentracions de metalls, metal·loides i sulfats, que poden produir degradació mediambiental i la pèrdua de biodiversitat en els ecosistemes aquàtics. Aquest projecte estudia l’aplicació d’un mètode de biosorció per tal d’eliminar o reduir la concentració de metalls pesants presents principalment en les aigües àcides de mina. Aquest mètode d’adsorció és sostenible i respectuós amb el medi ambient, característiques molt necessàries avui en dia. Com a material sorbent utilitza extracte de rapa de raïm encapsulat en perles d’alginat de calci. L’ús d’aquest residu vegetal ha demostrat, en nombrosos estudis, ser efectiu en l’eliminació de metalls en dissolució. Per tal d’optimitzar el procés d’adsorció, s’ha plantejat l’estudi de 4 variables: el temps de contacte entre les perles i les dissolucions amb metalls dissolts, el tamany de les perles, la concentració inicial del metall i la quantitat d’extracte present en les perles. S’han realitzat aquests estudis per al plom, el coure, el cadmi, l’arsènic (V) i l’arsènic (III), tot i que s’han centrat en els tres primers. La realització d’aquests estudis ha permès determinar que el tamany de les perles que permet obtenir una millor eliminació dels metalls és el més gran dels tres plantejats (aproximadament 3,4 mm de diàmetre). També s’ha pogut determinar que, en general, la quantitat òptima d’extracte en les perles és la menor de les estudiades (0,5 % d’extracte), tot i que en el cas del cadmi, els experiments amb 1,75 % d’extracte han permès obtenir millors resultats. Per als metalls estudiats, la concentració inicial que permet obtenir uns valors d’adsorció més elevats és 1 mg/L, tot i que, en algun cas, amb una concentració inicial de 49 mg/L s’obtenen millors resultats. En quant al temps de contacte, s’ha observat que durant els primers 30 minuts s’adsorbeix un 50 % del coure i el cadmi, i un 70 % en el cas del plom. Passada la primera hora, els valors de concentració final s’estabilitzen. Les dades obtingudes han demostrat que la cinètica del sistema es pot descriure amb el model de pseudo-segon ordre. Per el que respecte als estudis d’equilibri, s’ha observat que els resultats del plom i el coure s’adapten a la isoterma de Langmuir. En canvi, el cadmi s’adapta millor a la isoterma de Freundlich. Tot i que es proposen estudis addicionals als realitzats per tal d’acabar d’estudiar l’eficàcia del mètode utilitzat, els resultats obtinguts permeten concloure que el mètode proposat d’eliminació de metalls en dissolució és eficaç, i, per tant, la seva aplicació seria profitosa i rendible.

La concentración de las aguas, principalmente a raíz de la actividad minera, genera altas concentraciones de metales, metaloides y sulfatos, los cuales pueden producir degradación medioambiental y la pérdida de biodiversidad en los ecosistemas acuáticos. Este proyecto estudia la aplicación de un método de biosorció para eliminar o reducir la concentración de metales pesados presentes principalmente en aguas acidas de mina. Este método de adsorción es sostenible y respetuoso con el medio ambiente, características muy necesarias hoy en día. Como material adsorbente se utiliza extracto de rapa de uva encapsulado en perlas de alginato de calcio. Este residuo vegetal se ha utilizado en numerosos estudios, resultando ser bastante efectivo en la eliminación de metales en disolución. Para optimizar el proceso de adsorción,se ha planteado el estudio de 4 variables: el tiempo de contacto entre las perlas y las soluciones de metales disueltos, el tamaño de las perlas, la concentración inicial del metal y la cantidad de extracto presente en las perlas. Se han realizado estos estudios para el plomo, el cobre, el cadmio, el arsénico (V) y el arsénico (III), aunque se han centrado en los tres primeros. La realización de estos estudios ha permitido determinar que el tamaño de las perlas que permite obtener una mejor eliminación de los metales es el más grande de los tres planteados (aproximadamente 3,4 mm de diámetro). También se ha podido determinar que, en general, la cantidad óptima de extracto en las perlas es la menor de las estudiadas(0,5 % de extracto), aunque en el caso del cadmio, los experimentos con 1,75 % de extracto han permitido obtener mejores resultados. Para los metales estudiados, la concentración inicial que permite obtener unos valores de adsorción más elevados es 1 mg/L, aunque, en algún caso, con una concentración inicial de 49 mg/L se obtienen mejores resultados. En cuanto al tiempo de contacto, se ha observado que durante los primeros 30 minutos se adsorbe un 50 % del cobre i el cadmio, i un 70 % en el caso del plomo. Pasada la primera hora, los valores de concentración final se estabilizan. Los resultados obtenidos han demostrado que la cinética del sistema se puede describir con el modelo de pseudo-segundo orden. Por el que respecta a los estudios de equilibrio, se ha observado que los resultados del plomo i el cobre se adaptan a la isoterma de Langmuir. En cambio, el cadmio se adapta mejor a la isoterma de Freundlich. Aunque se proponen estudios adicionales a los realizados para terminar de estudiar la eficacia del método utilizado, los resultados obtenidos permiten concluir que el método de eliminación de metales en disolución es eficaz, y, por tanto, su aplicación seria provechosa y eficiente.

Water pollution is principally due to mining activity, generating high metal, metalloid, and sulphate concentrations, producing environmental degradation and biodiversity loss in aquatic ecosystems. This project studies the implementation of a biosorption method to remove and reduce the concentration of heavy metals present in acid mine waters. The proposed method can be a sustainable technique and respectful of the environment. As sorbent material, the extract of grapes stalks waste encapsulated in calcium alginate beads are used. The efficacy of this vegetable residue has been demonstrated in numerous studies in the elimination of dissolved metals. Four variables have been studied to optimize the metal elimination process: contact time between the beads and the solutions with dissolved metals, the size of the beads, the initial concentration of the metal, and the quantity of extract present in the beads. These studies have been performed for lead, copper, cadmium, arsenic (V), and arsenic (III), even though they have been focused on the first three. These studies have determined that the bigger alginate beads, approximately 3.4 mm of diameter, helped obtain better elimination metal ion percentages. Also, it has been determined that the optimal amount of extract in the beads is 0,5 % of extract, even though, for the cadmium the experiments with 1,75 % of extract have allowed obtaining better results. For the studied metals ions, the initial concentration that contributes to having higher adsorption values is 1 mg/L, although in some case, with an initial concentration of 49 mg/L better results are obtained. Regarding the contact time, it has been observed that during the first 30 minutes, 50 % of the cadmium and copper is adsorbed, and 70 % of the initial lead concentration. After the first hour, the final concentration values stabilize. The results demonstrated that the system kinetics can be described by the pseudo-second order model. Regarding the equilibrium studies, it was observed that the lead and copper results fit the Langmuir isotherm. However, the cadmium results fit better the Freundlich isotherm. Although additional studies have been proposed to determine the efficiency of the studied method, the results confirm that the dissolved metal elimination method can be very efficient and, therefore, its application would be profitable.