2014 Volumen 6, No 12. Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila Adsorción de Cromo y Arsénico en Óxidos de Hierro Adsorption of Chromium and Arsenic in Iron Oxides Francisco Raúl Carrillo-Pedroza*1, Ma. de Jesús Soria-Aguilar1, Antonia Martínez-Luévanos2, Alejandra Galindo-Ramos1 y Nallely Picazo-Rodriguez1 1 2 Facultad de Metalurgia. Universidad Autónoma de Coahuila. Carr. 57 km 5, 25710. Monclova, Coahuila, México. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Coahuila. Blvd. Venustiano Carranza, 25,000. Saltillo, Coahuila, México. *Correo electrónico: raul.carrillo@uadec.edu.mx. Resumen En el presente trabajo se empleó como material adsorbente de bajo costo, residuos de óxidos de hierro provenientes de polvos de colector de una acerera, para la remoción de cromo contenido en aguas residuales de un proceso de cromado de acero, y de arsénico proveniente de aguas residuales mineras, contenida en presa de jales. De acuerdo a los resultados, la adsorción de cromo ocurre por fisisorción cooperativa, mientras que en el arsénico la adsorción es debida a una combinación de adsorción física y química. En ambos casos, la adsorción es debida inicialmente por la atracción electrostática entre el Fe protonado y los aniones HCrO4- y H2AsO4-, respectivamente. En el caso del cromo, la presencia del ión sulfato, SO42-, disminuye la eficiencia de adsorción, logrando solo hasta un 50 % en soluciones residuales industriales (cromo total = 700 mg/L). Para el arsénico, es posible obtener más del 80 % de adsorción, para la solución conteniendo 1.17 mg/L. En ambos casos, los resultados muestran que los óxidos de hierro son una alternativa de bajo costo para el tratamiento de aguas residuales industriales. Palabras clave: adsorción; arsénico; cromo; óxidos de hierro Abstract In this work, iron oxides byproducts obtained from steelmaking dust collector are used as low-cost adsorbent materials for chromium removal from steel industrial plating wastewater and arsenic from mining wastewater, contained in tailings dam. According to the results, the adsorption of chromium occurs cooperative physisorption, while the arsenic adsorption is due to a combination of physical and chemical adsorption. In either case, the adsorption is initially caused by the electrostatic attraction between the protonated Fe ions and anions HCrO4- y H2AsO4-, respectively. In the case of chromium, the presence of sulfate ion decreases the adsorption efficiency, achieving up to 50% in industrial waste solutions (chromium = 700 mg/L). For arsenic, 80% adsorption for the 1.17 mgAs/L solution was obtained. In both cases, the results show that iron oxides are a low cost alternative for the treatment of industrial wastewater. Keywords: adsorption; arsenic, chromium; iron oxides. INTRODUCCIÓN El agua es el constituyente más importante del organismo humano por lo que la contaminación de los recursos hídricos superficiales es un problema cada vez más grave, debido a que estos se usan como destino final de residuos domésticos e industriales, sobre todo en las áreas urbanas. Estas descargas son las principales responsables de la alteración de la calidad de las aguas naturales, que en algunos casos llegan a estar tan contaminadas que su potabilización resulta muy difícil y costosa (Flores, 2008). La contaminación causada por la presencia de metales y metaloides, es en la actualidad uno de los problemas ambientales más importantes (Nriagu, 1988). Especies metálicas como el cromo, el mercurio, el cobre, el níquel y el cadmio, además del arsénico (estrictamente un metaloide), forman parte de la lista de contaminantes prioritarios en el mundo. El cromo (VI) es un contaminante frecuente en aguas residuales industriales que son provenientes de procesos como galvanoplastía, tintura de cueros o manufactura de pinturas. Debido a sus múltiples propiedades carcinogénicas 1 2014 Volumen 6, No 12. Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila y mutagénicas, su concentración en agua potable ha sido regulada a 0,05 mg/L en diversos países. El tratamiento convencional del cromo hexavalente es su reducción a Cr (III), especie menos tóxica y menos móvil en el medio ambiente. Sin embargo, existen diferentes procesos tales como precipitación química, extracción con disolventes, intercambio iónico, ósmosis inversa o adsorción (Gutiérrez et al., 2006). En el caso del arsénico, éste se encuentra en general como especie disuelta. Los estados de oxidación más comunes del arsénico son As5+ o arseniato, y As3+ o arsenito. Tanto el As5+ como el As3+ son móviles en el medio, aunque este último es el estado más móvil y de mayor toxicidad. La toxicidad aguda debido al arsénico, involucran a muchos sistemas y órganos del cuerpo humano, siendo clasificado como sustancia cancerígena por lo cual su concentración en agua potable debe ser menor a 0.01 mg/L (USEPA, 2000). Sobre el método de adsorción, hay numerosos materiales adsorbentes utilizados para la adsorción de metales pesados, como el cromo o metaloides como el arsénico. Uno de ellos son los materiales basados en óxidos de hierro, los cuales han mostrado desarrollar alta afinidad a ciertos iones y complejos metálicos (Mohan y Pittman, 2007). Los óxidos de hierro pueden sintetizarse aunque existen numerosas fuentes naturales o contenidos en diversos residuos y residuos de la industria. Algunos de estos productos son escoria de alto horno y polvos del sistema de depuración de gases. Estos residuos son dispuestos o confinados siendo potencialmente nocivos por el tamaño de partícula pequeña. Sin embargo, la composición física y química de los residuos de hierro indican la posibilidad de ser utilizados como materia prima para obtener productos de alto valor agregado empleándolos como materiales adsorbentes (Soria et al., 2008). En este trabajo se presenta un ejemplo de aplicación del método de adsorción empleando como material adsorbente los residuos de la industria metalúrgica, para la remoción de cromo de aguas residuales de la industria cromadora, y para la remoción de arsénico contenido en aguas residuales confinadas en presas de jales. MATERIALES Muestras de residuo (formado por diferentes especies de óxidos de hierro, por lo cual en lo sucesivo se les llamará de manera genérica óxidos de hierro o residuos, indistintamente) se obtuvieron del sistema colector de polvo instalado en una planta de fabricación de acero. Estos residuos fueron caracterizados por análisis químico con Espectrofotometría de Absorción Atómica (Perkin Elmer 3100) y difracción de rayos X (DRX, Siemens D-5000) para determinar la composición química y las fases presentes en los residuos de un proceso metalúrgico. Mediante dichas técnicas se confirmó que estos residuos están compuestos principalmente de 41.55% Fe, 12.94% CaO, 3.36% MgO, 3.10% SiO2 y 1.4%. El elemento predominante, el Fe, está presente en diferentes formas, principalmente hierro metálico, wustita (FeO) y magnetita (Fe3O4), de acuerdo al DRX. También se determinó el punto isoeléctrico (IEP) del material, el cual fue de 9.2. El tamaño de partícula se determinó mediante la prueba de tamiz húmedo observando que las partículas de los residuos tienen un tamaño de 80% menos de 44 μm. El área superficial específica fue determinada mediante el método de fisisorción de nitrógeno, empleando un analizador Beckman Coulter model SA 3100, dando un valor de 21.7 m2/g. Método Dos tipos de muestras fueron utilizadas en los ensayos de adsorción: En primer lugar, se obtuvieron muestras de aguas residuales de una planta cromadora. Las muestras contenían 700 mg/L de cromo como Cr (VI) (ácido crómico), Fe Total = 50 mg / L y SO4-2 = 400 mg/L, a pH 3. Otro tipo de muestras acuosas fueron obtenidas de una presa de jales mineros, la cual contenía 1.17 mg/L de arsénico (As) y un pH de 4. Para ambas muestras, se realizaron pruebas de adsorción por lotes. Una cantidad específica de residuo (adsorbente) se añadió en 100 ml de la solución conteniendo Cr (VI) o As, y después se agitó durante un período predeterminado a 25 °C. Después, la solución resultante se filtró usando un papel de filtro. El tiempo de prueba, la cantidad de adsorbente (residuos) y la concentración de cromo o arsénico son las variables que se estudiaron en estos experimentos. La determinación de cromo y arsénico en soluciones antes y después de ensayos de adsorción se realizó mediante espectroscopía de absorción atómica (AAS, Perkin Elmer 3100). RESULTADOS Y DISCUSIÓN El efecto del tiempo de contacto en la adsorción de cromo y arsénico en residuo se muestra en la Figura 1. Es evidente a partir de esta figura que el tiempo es un parámetro importante para la adsorción de Cr y As en residuos, ya que el aumento del porcentaje de remoción es de 0% a 50 % durante los primeros 5 min de tiempo de contacto. Sin embargo, el comportamiento cambia radicalmente para ambos elementos después de los 5 min. Mientras que el arsénico continúa adsorbiéndose con el tiempo, hasta llegar a una fracción adsorbida mayor del 80 % en 60 min, en el caso del cromo ya no hay efecto, quedando la fracción adsorbida en 50 % a partir de los 5 min. De acuerdo a Gupta y Babu (2009), el porcentaje de eliminación de Cr (VI) se ve afectada de manera significativa por la presencia de SO4−2 en efluentes industriales. Estos autores observaron que la capacidad adsorbente de los residuos se reduce aproximadamente en un 50 % para efluentes de la industria cromadora. Estos valores son muy similares al presente estudio. 2 Fracción adsorbida 2014 Volumen 6, No 12. Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila 1 =4, y de oxidación del agua de presa de jales, la especie que predomina es H2AsO4-, de acuerdo la Figura 2. 0.8 As Por otro lado, las especies de hierro contenidas en los residuos pueden oxidarse fácilmente al entrar en contacto en solución acuosa, formando en la superficie de las partículas una capa de hidróxido de fierro, de acuerdo a las siguientes reacciones (Mamindy-Pajany et al., 2011). Cr 2Fe0 + 4H+ + O2= 2Fe2+ + 2H2O (1) 4Fe2+ + 4H+ + O2= 4Fe3+ + 2H2O (2) Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+ (3) 0.6 0.4 0.2 0 0 20 40 Tiempo, min 60 80 Figura 1. Efecto del tiempo de contacto sobre la adsorción de Cr (VI) y As (V) usando residuos; temperatura, 25 °C. Durante la remoción de cromo y arsénico con residuos ocurren los siguientes fenómenos químicos: En solución, el Cr (VI) se encuentra como CrO42-, HCrO4- o Cr2O72-, dependiendo tanto del pH del medio como de la concentración total del Cr (VI), como se puede observar en el diagrama de distribución de especies de la Figura 2. Para aguas residuales industriales, a pH > 1, se ha observado la desprotonación del Cr (VI). Por encima de pH 7 sólo existen iones CrO42- en solución en todo el intervalo de concentración. A pH entre 1 y 6, el HCrO4- es predominante. En el caso del arsénico, se encuentra en general como especie disuelta, formando oxianiones. Los estados de oxidación más comunes del arsénico son As5+ o arseniato, y As3+ o arsenito, y con menos frecuencia As0 y As3-. El As5+ prevalece en aguas superficiales mientras que es más probable encontrar especies de As3+ en aguas subterráneas. El As5+ aparece como H3AsO4 y sus correspondientes productos de disociación (H2AsO4-, HAsO42- y AsO43-), mientras que el As3+ aparece como H3AsO3 y sus correspondientes derivados dependiendo del pH (H4AsO3+, H2AsO3-, HAsO32- y AsO33-). El estado de oxidación del As y, por lo tanto, su movilidad, están controlados fundamentalmente por las condiciones redox (potencial redox, Eh) y el pH. Tanto el As5+ como el As3+ son móviles en el medio, aunque este último es el estado más móvil y de mayor toxicidad. Bajo condiciones oxidantes, el As5+ predomina sobre el As3+, encontrándose como H2AsO4- a pH menor de 6.9, mientras a que a valores de pH más altos sobresale la especie HAsO42-. En condiciones muy ácidas, la especie que domina es H3AsO4, mientras que en condiciones de extrema basicidad predomina AsO43-. En condiciones reductoras, a pH inferior a 9.2, predomina la especie neutra. Para el caso de estudio, de acuerdo a las condiciones de pH El hidróxido o grupo hidroxilo formado en la superficie puede desprotonarse dependiendo del pH de la solución, de acuerdo a las siguientes reacciones: FeOH + H+ = FeOH2+ (4) FeOH + OH− = FeO− + H2O (5) Formando así sitios de adsorción de aniones en el material de residuos, del tipo (-Fe-OH2+) y grupos hidroxilo (Fe-OH). La Ecuación (4) se ve favorecida a pH bajos, mientras que la Ecuación (5) se ve favorecida a pH alto. En nuestros casos, donde la solución de cromo se encuentra a pH = 3 y la de arsénico a pH = 4, los aniones HCrO4- y H2AsO4- , respectivamente, pueden ser absorbido por la superficie cargada positivamente del residuos debido a la reacción del producto de la Ecuación (4), el FeOH2+. Por lo tanto, las partículas de magnetita - hematita - wustita pueden adsorber cualquiera de las especies cargadas negativamente o positivamente por atracción electrostática dependiendo del pH de la solución. Además, dado que el valor del punto isoeléctrico, PIE del material es de 9.2, es conocido que en soluciones con pH debajo del PIE, los sólidos (óxidos) se cargan positivamente, atrayendo entonces así a los aniones como el HCrO4-. Considerando que la solución de cromo tiene un alto contenido de SO4−2, el relativamente bajo porcentaje en la fracción adsorbida obtenida se puede ver a la adsorción competitiva de entre las especies cargadas negativamente, las cuales se adsorben en la superficie cargada positivamente de los residuos. Esto no ocurre en el caso del arsénico, cuya afinidad con los óxidos de hierro es mucho mayor que la de otros aniones. Bajo las condiciones dadas, el residuo en contacto con la solución ácida conteniendo arsénico forma la especie estable de arsenato férrico, FeAsO4, de acuerdo a la siguiente reacción: FeOH2+ + H2AsO4− = FeAsO4 + 2H2O ∆Go298 = -41.4 kJ (6) 3 2014 Volumen 6, No 12. Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila Distribution of As(III) species 1.00 1.00 Distribution of Cr(V) species HCrO 40.80 H2 AsO4- HAsO42- CrO 42- 0.80 0.60 ai ai 0.60 0.40 0.40 0.20 0.20 0.00 0.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.011.012.013.014.0 pH 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.011.012.013.014.0 pH Figura 2. Diagrama de distribución de especies: izquierda, para el arsénico As(III); derecha, para el cromo Cr (VI); obtenidos del software CurTiPot versión 3.4.1. La formación de esta especie permite suponer que además de la adsorción física por atracción de cargas, en el caso del arsénico, puede estar también realizándose una adsorción química. CONCLUSIONES Se estudió la remoción de cromo contenido en aguas residuales de una planta cromadora y la de arsénico contenido en aguas residuales mineras confinadas en una presa de jales. Se encontró que los residuos metalúrgicos compuestos principalmente de óxidos de hierro pueden usarse como material adsorbente. A partir de los datos de los diagramas de especiación, así como del punto isoeléctrico del residuo, se determinó que la adsorción ocurre por una atracción de cargas, donde los aniones de cromo y arsénico, son atraídos por la superficie positiva del residuo, debido al pH de las soluciones. Se observó que para la adsorción de Cr (VI), la eficiencia de adsorción está limitada por la presencia de otros iones, principalmente los sulfatos, que compiten en la adsorción. Los resultados indican que los residuos industriales a base de óxidos de hierro pueden ser utilizados en el tratamiento de aguas residuales e industriales, ya que siendo los residuos un material de bajo costo y alta disponibilidad, y de fácil recuperación por medios magnéticos (dada sus propiedades ferromagnéticas), puede aportar ahorros significativos en el consumo de reactivos empleados en los procesos convencionales de oxidaciónreducción y precipitación química. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la empresa Altos Hornos de México, S. A. B. de C. V. por el apoyo para la realización de este trabajo. La M. C. Galindo Ramos agradece a CONACYT por la beca otorgada. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Flores J.P. 2008. Riesgos a la salud humana por la biodisponibilidad de metales pesados en agua y suelo de la región Paso del Norte., Avances de cuaderno de trabajo, Num.188, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. 5-10. Gupta S. y Babu B.V. 2009. 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