Biosorcion

Recibido el 27-10-2010

Aprobado el 11-01-2011

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ESTUDIO DE LA CINÉTICA DE BIOSORCIÓN DE IONES PLOMO EN PECTINA RETICULADA PROVENIENTE DE CÁSCARAS DE CÍTRICOS

Víctor R. García Villegas ; Andrea G. Yipmantin Ojeda ; Enrique G. Guzmán Lezama ; Rodolfo Pumachagua Huertas ; Holger J. Maldonado García

RESUMEN

La pectina es una mezcla de polisacáridos que presentan principalmente unidades de ácido galacturónico en su estructura y se encuentra formando parte de la pared celular de vegetales, como los cítricos. Los grupos carboxílicos en su forma aniónica se caracterizan por tener

tendencia hacia la captación de especies catiónicas como Pb2+. La fuente empleada para la obtención de pectina, mediante hidrólisis ácida (pH 1,4, temperatura: 80ºC tiempo: 60 min.), fueron las cáscaras de naranja. Para disminuir la capacidad de hidratación e hinchamiento de la pectina cuando se encuentra en medio acuoso se realizó la reticulación empleando formaldehído. El rango de pH en el cual se obtuvo la máxima capacidad de sorción fue 4,5 –

5,5. En la mayoría de los casos el modelo matemático de cinética de pseudo primer orden se ajustó mejor que pseudo segundo orden a la cinética de biosorción de plomo en pectina, tanto para diferentes concentraciones iniciales del metal en la solución, como para diferentes cantidades de biosorbente.

Palabras clave: biosorción, pectina, plomo, reticulacion, cinética

KINETIC STUDIES OF LEAD ION BIOSORPTION BY CROSSLINKED PECTIN FROM CITRUS PEEL

ABSTRACT

Pectin is a mixture of polysaccharides containing galacturonic acid units, as main compound, into its structure and it is found by forming a part of the vegetables cell wall, such as citrus. Carboxylic groups in their anionic form are characterized for their binding capacity for

cationic species, such as Pb2+. Orange peels were used as a source of pectin, through acid hydrolysis (pH 1,4, temperature: 80°C, time: 60 min.). For decreasing the hydration and swelling capacity when pectin is found in aqueous solution medium, crosslinked by using formaldehyde was made. Maximum sorption capacity was obtained at pH between 4,5 and

5,5. The most of the cases pseudo first order mathematic kinetic model fit it better than Pseudo second order to kinetic biosorption of lead in pectin for either different initial metal concentrations in solution or different amounts of biosorbent.

Key word: biosorption, pectin, lead, crosslinked, kinetic

INTRODUCCIÓN

La contaminación ambiental y el deterioro de algunos ecosistemas han sido intensificados debido al incremento de la actividad industrial, generando una acumulación de metales pesados y compuestos sintéticos. Las aguas residuales provenientes de las actividades

Escuela de Química, Universidad Nacional Federico Villarreal, Lima 10. Vrgv03@gmail.com

Departamento de Química, Universidad Peruana Cayetano Heredia, Lima 31

Facultad de Quím. e Ing. Quím., Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima 1

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mineras y metalúrgicas son consideradas como la mayor fuente de contaminación de metales pesados y la necesidad de métodos económicos y efectivos para la remoción de estos metales ha conllevado al desarrollo de nuevas tecnologías de separación.1 Muchas de estas sustancias tóxicas que contienen metales pesados tienden a persistir indefinidamente en el medio ambiente, comprometiendo la salud de animales y personas mediante su acumulación e ingreso a la cadena alimenticia.2 Para remover materia orgánica de alta masa molecular o sustancias inorgánicas presentes en aguas residuales, se emplea carbón activado como sustancia adsorbente o resinas de intercambio iónico, los cuales son efectivos, pero tienen alto costo. Un adsorbente natural de bajo costo es la pectina, la cual presenta una propensión a adsorber metales pesados, tales como Hg, Cd y Pb, que se encuentran como principales contaminantes de las aguas residuales y de los cuales el plomo es quien presenta mayor afinidad a la biosorción en pectina por quelación.3

Las pectinas están conformadas por polisacáridos aniónicos heterogéneos que se encuentran

en la pared celular de vegetales.4 Estos polisacáridos están conformados, principalmente, por unidades de ácido 1–4–á–D–galactopiranosilurónico (comúnmente llamado ácido á–D–galacturónico), mediante los cuales algunos de los grupos carboxilo se encuentran metoxilados.5 El mecanismo de biosorción de plomo en pectinas provenientes de cítricos está determinado principalmente por el números de grupos de ácidos carboxílicos presentes, los cuales son mayores en pectina de bajo grado de metoxilación y se encuentran en menor cantidad cuando tienen altos grados de metoxilación.6 En la figura 1 se muestra la unión de las unidades estructurales del ácido á–D–galacturónico y sus derivados metoxilados mediante los enlaces á-1-4.

El uso de pectinas como biosorbente natural para el tratamiento de efluentes industriales contaminados con metales pesados puede incrementar su valor. Sin embargo, aunque se puedan dar un uso similar a las de algunas resinas sintéticas u otros biosorbentes, la pectina también presenta un grado de solubilidad e hidratación como para ser usada de manera directa. Dronnet et al. (1998) demostraron que la reticualción con formaldehído reduce la capacidad de hinchamiento y retención de agua en pectina de pulpa de betarraga; no obstante, disminuye

la capacidad de adsorción de Zn2+ y Pb2+.

Por otra parte, la rapidez de fijación del soluto en el biosorbente es estudiada por la cinética de biosorción, la cual expresa el cambio de concentración del soluto en el tiempo y es definida por la ley de velocidad. Entre los modelos cinéticos ampliamente empleados por muchos autores se encuentran el modelo de la cinética de pseudo primer orden o ecuación de

Lagergren y el modelo de pseudo segundo orden o ecuación de Ritchie7,8.

COOH

HO O H H

OH H

H O

COOH

O H H

COOCH3

H OH OH H

H O

H

O H

COOH

H OH OH H

H O

H

O H

COOCH 3

H OH OH H

H O O H H

H OH OH H

H OH

H OH

Figura 1: Estructura polimérica conformada por unidades de ácido á–D–galacturónico y derivados metoxilados unidas entre sí por enlaces á-1-4.

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Estudio de la cinética de biosorción de iones plomo en pectina reticulada ...

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Modelo de pseudo primer orden

Este modelo asume la biosorción como una reacción de primer orden en cada uno de sus reactantes a partir de:

(1)

Al resolver la ecuación diferencial tomando en cuenta los límites de integración desde t = 0 hasta t = t se tiene:

(2)

Donde:

q : Cantidad de soluto adsorbido en el equilibrio por unidad de masa de adsorbente, (mg.g-1).

qt: Cantidad de soluto adsorbido en el equilibrio por unidad de masa de adsorbente al tiempo

t, (mg.g-1).

k : Constante de velocidad de pseudo primer orden, (min-1).

La constante k1 se puede determinar por análisis de regresión no lineal de la gráfica:

qt vs t.

Modelo de pseudo segundo orden

En el modelo de Pseudo Segundo Orden la ecuación cinética está representada por:

(3)

Al resolver la ecuación diferencial tomando en cuenta los límites de integración desde t = 0 hasta t = t se tiene:

Donde:

(4)

k2: Constante de velocidad de pseudo segundo orden, (g.mg-1.min-1).

Las constantes k2 y qeq se pueden determinar por análisis de regresión no lineal de la gráfica: qt

vs t.

El objetivo de este trabajo fue encontrar el pH óptimo y el modelo matemático que represente mejor la cinética de biosorción de plomo en pectina reticulada extraída de cáscaras de naranja.

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PARTE EXPERIMENTAL Extracción del material péctico

Se pesó y lavó 100 g de cáscaras de naranja seca y pulverizada hasta tres veces en 2 L de agua caliente. Después del tercer lavado se realizó la hidrólisis en 2 L de agua acidulada a pH 1,4,

manteniendo la temperatura en 80º C durante una hora.9 Se empleó HCl para ajustar el pH. Luego se filtró y se retiró el bagazo. El material péctico fue precipitado añadiendo al filtrado un volumen igual de etanol de 96º. La pectina coagulada que se obtuvo después de filtrar el precipitado fue lavada varias veces con etanol de

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