UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA SANITARIA FACULTAD DE ECOLOGÍA INFORME UTILIZACIÒN DE BIOCARBON DE CÀSCARA DE COCO FUNCIONALIZADO CON NANOPARTICULAS DE OXIDO DE ZINC PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS ASIGNATURA FISICA II DOCENTE Erick Rubèn Gavidia ESTUDIANTES Heiner Campos Salazar Cristian Martínez Tocto Julio César Pérez Acuña Jhon Cristian Vallejos Huancas Elisandro Jorge Noreña Johann Miller Terrones Jiménez Harry Andrew Mondragón Abad SEMESTRE ACADÉMICO 2021-II CICLO IV ÌNDICE 1. INTRODUCCIÒN..................................................................................................................... 3 2. OBJETIVOS .............................................................................................................................. 4 2.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................ 4 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................... 4 3. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................... 4 3.1. Cáscara de Coco ..................................................................................................................... 4 3.2. Nanopartìculas de Óxido de Zinc ......................................................................................... 4 3.3. Biocarbòn ................................................................................................................................ 5 3.4. Materia Prima ........................................................................................................................ 5 3.5. PRODUCCIÓN de Biocarbòn............................................................................................... 6 4. PROCEDIMIENTO ...................................................................................................................... 7 4.1. Recolección y acondicionamiento de las materias primas .................................................. 7 4.2. Producción de biocarbón ....................................................................................................... 7 4.3. Funcionalización del biocarbòn ............................................................................................ 8 4.4. Pruebas de Adsorción ............................................................................................................. 8 4.4.1 Caracterización de las muestras de aguas........................................................................... 8 4.4.2 Pruebas de Adsorción......................................................................................................... 8 4.4.3 Pruebas de Antimicrobianas ............................................................................................... 9 5. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 10 6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ...................................................................................... 11 1. INTRODUCCIÒN En el Perú la mayoría de las fuentes de agua incumplen, los estándares de calidad ambiental para aguas en sus diferentes usos, siendo el más crítico en el uso destinado para producción de agua potable en el ámbito rural y urbano. En el presente trabajo se desarrollará, evaluará la capacidad del biocarbón de cáscara de coco y biocarbón funcionalizado con nanopartículas de Óxido de Zinc, para comprobar su capacidad de adsorción respecto a ciertos contaminantes como los metales pesados y su capacidad de inhibición de microorganismos que se encuentran en el agua de Tumbes Por lo descrito se formula el problema: ¿Es posible el tratamiento de aguas utilizando biocarbón y biocarbón funcionalizado con nanopartículas de óxido de zinc a partir de residuos de cáscara de coco? El presente proyecto de tesis nos brindara una data muy valiosa e importante, para poder conocer la eficiencia de adsorción del biocarbón de cáscara de coco y biocarbón funcionalizado con nanopartículas de Óxido de Zinc, así como su capacidad de inhibición. El principal objetivo de evaluar el efecto de la funcionalización de nanopartículas de Óxido de Zinc en biocarbón de cáscara de coco para su uso en el tratamiento de aguas. 2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL -Evaluar el efecto de la funcionalización de nanopartículas de óxido de Zinc en biocarbòn de cáscara de coco para uso en el tratamiento de aguas. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS -Evaluar el biocarbòn funcionalizado con nanopartìculas de óxido de Zinc. -Utilizar el biocarbòn y el biocarbòn funcionalizado con nanopartìculas de Óxido de Zinc, obtenido a partir de la cáscara de coco en el tratamiento de aguas. 3. MARCO TEÓRICO 3.1. CÁSCARA DE COCO Cáscara de coco es una importante materia prima para la producción de carbón vegetal en el mundo, especialmente en los países en desarrollo como Indonesia, Malasia, India. El carbón de cáscara de coco se utiliza en muchas industrias gracias a sus beneficios y las propiedades importantes. Además, el carbón de coco puede ser molido y usado para la producción de carbón activado. Gracias a su agradable olor el carbón de coco es reconocido como uno de los mejores combustibles para la cocción de alimentos. Hay muchos métodos de producción de carbón de coco, pero la más efectiva es la producción a través de un especial horno de carbón utilizando el proceso de pirolisis, lo que implica la quema de cáscara de coco en un cantidad limitada de oxígeno. Es importante saber que el oxígeno puede destruir la cáscara, si el aire no está limitado. Para obtener el carbón de alta calidad cáscara de coco debe ser limpia, totalmente seca y natural. 3.2. NANOPARTÌCULAS DE ÓXIDO DE ZINC Las sales metálicas se han utilizado para distintas aplicaciones como desinfección de agua, textiles y cosméticos. El creciente interés por las nanopartículas de Óxido de Zinc se debe a sus propiedades físicas, químicas y biológicas que se aprovechan en diversas aplicaciones como la catálisis, el almacenamiento de datos y el uso biomédico. Las nanopartículas de óxido de zinc pueden utilizarse de diferentes formas, ya sea soluciones coloidales o recubrimientos poliméricos sólidos, esta versatilidad también ha causado la expansión comercial de este tipo de nanopartículas, así como el desarrollo de nuevos métodos de obtención. Las propiedades de las nanopartículas dependen de sus características. Las propiedades ópticas de las nanopartículas de Óxido de Zinc están relacionadas con la estructura, la forma, la distribución de tamaño, entre otras, que pueden ser controladas mediante el método de síntesis. Es universalmente conocido que las nanopartículas de óxido de zinc son antibacterianas e inhiben el crecimiento de microorganismos al penetrar en la membrana celular. 3.3. BIOCARBÒN Biocarbón es un tipo de carbón que ayuda a los suelos a retener nutrientes y agua, funciona como una esponja absorbente para luego liberar lentamente los nutrientes con el paso del tiempo. Es un material sólido obtenido de la carbonización de la biomasa a través de un proceso denominado pirólisis (combustión de materia orgánica en ausencia de oxígeno). Biocarbón mejora los suelos y tiene la capacidad de retener nutrientes, reducir los requerimientos de fertilizantes y aumentar los rendimientos de los cultivos. Así como la reestructuración del suelo, mejorando sus propiedades físicas, la retención de agua del suelo, ayuda al desarrollo de la microflora de los suelos y aumento de su actividad biológica. El carbón producido a partir de biomasa, o biocarbón, es una promisoria enmienda de suelos que combina la durabilidad química con altas áreas superficiales y de capacidad de intercambio iónico. 3.4. MATERIA PRIMA Sabemos que existen varias materias primas para producir biocarbón. La mayoría de las materias primas son recursos renovables. Con el cambio estacional, se produciría un nuevo lote de biomasa. Los residuos de biomasa son inagotables. Mientras tanto, debido a la abundancia de elementos de carbono, se pueden utilizar tipos de residuos de biomasa para producir biocarbón. Los residuos de biomasa son un recurso valioso y ecológico. Por lo tanto, deberíamos aprovechar al máximo los residuos de biomasa. Si solo quema los desechos de biomasa o los tira, es un desperdicio de recursos. Convertir los residuos de biomasa en biocarbón con equipos de producción de biocarbón es un negocio muy rentable. Entre los materiales más utilizados ese tiene a los residuos de cosecha, plantas secas, biomasa de árboles, desechos de papel, de arroz, de coco; los residuos de aceituna, desperdicios orgánicos de la vida humana. 3.5. PRODUCCIÓN DE BIOCARBÒN El biocarbón es un producto con abundante carbono derivado de la descomposición térmica de las materias primas, en condiciones de aire restringido y a temperaturas comprendidas entre 350 y 700ºC (Glaser B. et al., 2001). El rendimiento en peso del biocarbón, depende mucho de los parámetros y condiciones de operación del proceso de pirólisis, así como de la temperatura final y de la composición de la materia prima (Mašek,O et al., 2013). Para la obtención de biocarbón existen diferentes tecnologías a utilizar entre las principales tenemos la pirolisis, la gasificación, la carbonización hidrotérmica y la carbonización rápida (Meyer et al., 2011). - Pirólisis lenta, se define por periodos de calentamiento de la biomasa pausados, temperaturas bajas y largos tiempos de exposición de los materiales y el gas. Los periodos de calentamientos son de 0,1 a 2 °C por segundo y predominan las temperaturas en torno a de los 500 °C. El tiempo de exposición de la biomasa puede ser de minutos a días (Sadaka, 2007). Según Gheorghe et al., (2009) este sería el proceso con mejor rendimiento de biocarbón. - Pirólisis rápida, el calentamiento sobrepasa los 200 °C/s y las temperaturas que predominan se encuentran por encima de los 550 °C. Debido al corto tiempo de residencia del gas, los biocarbones son de alta calidad, principalmente son líquidos, como los bioaceites (Farag et al., 2002; Czernik y Bridgwater, 2004; Sadaka, 2007). - Pirólisis ultrarrápida, las temperaturas a las que se llega en este proceso son moderadas (400-600 °C) y con tasas de calentamiento rápidas (>2 °C/s). Los tiempos de exposición al vapor son usualmente menores a 2 s (Sadaka, 2007; Demirbas, 2009). - Gasificación, durante este proceso la biomasa, principalmente madera, se quema en una secuencia de dos reacciones. La primera es la conversión de madera a carbón mediante carbonización con gasificación de la madera. Después de la formación de carbón, la segunda reacción, con mayor temperatura, convierte al carbón en ceniza y se conoce como gasificación de carbón. Si hay demasiado oxígeno entonces todo el carbón es consumido y sólo quedan cenizas (McLaughin et al., 2009). - Carbonización hidrotérmica, consiste en calentar los materiales con una buena proporción de agua, como lodos residuales, estiércoles, entre otros, que son puestos en agua, y a pesar de que la temperatura es alta, no se llega a la ebullición (Brick, 2010). Asimismo, se pueden obtener biocarbones a temperaturas bajas (200 °C) y tiempos muy cortos (Titirici et al., 2007). Además, como no se necesita secar los materiales para hacer el biocarbón, hay un gran ahorro de energía de este proceso y por tanto los costos de producción disminuyen. 4. PROCEDIMIENTO 4.1. RECOLECCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LAS MATERIAS PRIMAS La materia prima de cáscara de coco será recolectada en los diferentes campos de producción o centros de acopio, en grandes cantidades, la cascará de coco debe estar totalmente limpia, para luego secarlo a temperatura ambiente u otras opciones (estufa), hasta que tenga un peso constante. Luego será molida y tamizada hasta alcanzar el tamaño de partículas comprendidos entre 0,5 y 1,00 mm, esta materia será almacenada en sacos en un lugar seco y con temperatura controlada para evitar su deterioro. 4.2. PRODUCCIÓN DE BIOCARBÓN Para la producción de biocarbon se utilizará cáscara de coco con tamaño de partícula inicial de 0,50 – 1.00 mm, luego la muestra se colocará en un tubo de acero inoxidable para ser introducido en un reactor adaptado a un horno tubular, a 600 ºC durante dos horas, finalmente el material será lavado con solución acida (0.1 N de HCL) y agua destilada, para ser secado a 80 ºC hasta tener peso constante. 4.3. FUNCIONALIZACIÓN DEL BIOCARBÒN Para la funcionalización del Biocarbón se utilizará tamaño de partícula inicial del Biocarbon se utilizará tamaño de partícula inicial de < 0,50 mm, luego se prepararán soluciones de hidróxido de sodio (NaOH) 0,5 M y Nitrato de Zinc (Zn(NO3)2) 0,5 M, como agente precursor, se trabajará en proporción 1/10 m/v. Se colocará la solución Hidróxido de Sodio con el Biocarbon en agitación y calentamiento constante hasta llegar a 60 ºC, luego comenzar con la titulación de la solución de Nitrato de Zinc, finalizada la titulación, dejar en agitación contante por 50 o 30 minutos, eliminar el sobrenadante y colocar en la estufa a 70 ºC por 12 horas. 4.4. PRUEBAS DE ADSORCIÓN 4.4.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS DE AGUAS Se recolectará una muestra compuesta de agua de río, en cada punto de muestreo se recolectará 1 L de muestra, el cual será trasladado al Laboratorio para determinar la concentración de metales pesados presentes en la muestra con un fotómetro, y poder realizar las pruebas de Adsorción (Equilibrio y cinética), utilizando el biocarbón y biocarbón funcionalizado con nanopartículas de ZnO. 4.4.2 PRUEBAS DE ADSORCIÓN Equilibrio Para esta prueba; la muestra se depositará en el matraz erlemeyer, luego se ajustará el pH de 3 a 10 con ácido sulfúrico 0,1N e hidróxido de sodio 0,1 N, se colocará en agitación constante y luego se añadirá una dosis 0,05 g de los materiales adsorbentes a experimentar. Finalizada las 48 horas, se extraerán las muestras para calcular la cantidad de contaminante adsorbido en los biocarbones utilizando un fotómetro. Para evaluar los datos de adsorción de equilibrio de los absorbentes se empleará los modelos de Langmuir, Freundlich, la ecuación de Redlich-Peterson y la ecuación de Dubinin- Radushkevich en su la forma no lineal. Cinética Después de la ejecución de la prueba de equilibrio, se determinarán las condiciones para realizar esta prueba, como: pH, dosis. Para la realización de esta prueba se colocará la muestra en el matraz erlemeyer ajustando el pH en agitación constante y luego se añadirá una cantidad determinada de material adsorbente. Luego se extraerán muestras en los tiempos de 0, 2, 5, 10, 15, 20, 30, 60, 90, 120, 150 y 180 minutos para calcular la cantidad de contaminante adsorbido en los biocarbones utilizando un fotómetro. Para esta prueba se aplicará la ecuación de Pseudo primer orden (PFO), Pseudo segundo orden (PSO), y de Elovich en la forma no lineal. 4.4.3 PRUEBAS DE ANTIMICROBIANAS Las bacterias se cultivarán en caldo de Luria a 36 °C +/-1 C durante 24 h. Luego, se suspendió una alícuota del cultivo en una solución salina fisiológica (10 ml) y se ajustó la turbidez a 0,5 del nefelómetro Mac Farland (1×108 UFC/mL). Se añadieron 0,1 g de los adsorbentes a la suspensión y luego se agitó durante 2 h en condiciones estériles. Se tomaron 0,1 mL de la suspensión en diferentes momentos entre 0 y 140 minutos y luego se diluyó. La solución diluida se sembró con 20 mL de agar MullerHinton y se incubó a 37 ºC durante 24 h. 5. CONCLUSIONES -Se evaluó el efecto de la funcionalización de nanopartículas de óxido de Zinc en biocarbòn de cáscara de coco para uso en el tratamiento de aguas. -Se evaluó el biocarbòn funcionalizado con nanopartìculas de óxido de Zinc. -Se utilizó el biocarbòn y el biocarbòn funcionalizado con nanopartìculas de Óxido de Zinc, obtenido a partir de la cáscara de coco en el tratamiento de aguas. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Tecnología Biocarbón | FAO. (2020). Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA) Costa Rica. https://www.fao.org/family-farming/detail/es/c/1401392/ Beston Machinery. (2021, 11 noviembre). Equipo de producción de biocarbón: más de 1000 casos. Beston Company. https://bestoncompany.com/es/biochar-productionequipment/ La producción de carbón vegetal de coco. (2011, 21 noviembre). Eco Friendly Technology. Recuperado 1 de diciembre de 2021, de https://carboneros.org/clients/articles/2011-11-21-14-30-20/esp/