Modelo de sorción para la remoción de cobre y plomo de lixiviados de rellenos sanitarios

Abstract

El siguiente documento presenta un modelo semifísico de base fenomenológica (MSBF) para la sorción de cobre y plomo de lixiviados de rellenos sanitarios con pulpa de café como material adsorbente. Del mismo modo, coma se muestran los resultados del componente experimental en el que se desarrollaron ensayos en lotes y en columna con los metales en solución individual y en mezcla, determinando las capacidades de adsorción y las eficiencias de remoción, con el fin de establecer comparaciones del comportamiento real con las predicciones del modelo. Inicialmente la pulpa de café fue modificada química y térmicamente para mejorar sus condiciones físicas y químicas. Fue caracterizada antes y después de su modificación en cuanto a su punto de carga cero, área superficial, identificación y cuantificación de grupos funcionales, análisis elemental y morfológico, así como en su contenido de lignina, celulosa y hemicelulosa. Los lixiviados fueron tomados del relleno sanitario Neil Road, de la ciudad de Chico, Norte de California, USA. Posterior a su caracterización fisicoquímica, fue necesario adicionarles estándares de plomo y cobre hasta alcanzar las concentraciones previstas en el estudio, debido a que en condiciones normales sus concentraciones fueron muy bajas. Se desarrolló un diseño experimental a través del método de superficies de respuesta, encontrando que los valores óptimos de las variables para soluciones individuales fueron pH de 4 para el cobre y de 3,3 para el plomo, concentración inicial de 2ppm y 1,5ppm para el cobre y plomo, respectivamente. Para soluciones en mezcla el valor del pH fue de 6,5 y concentración inicial para cada uno de los metales de 1ppm. El tiempo de contacto no fue una variable estadísticamente significativa, no obstante, con el fin de fijar un valor para la realización de ensayos en lotes y en columnas, se tomó como valor óptimo 12 horas para la solución con mezcla de metales, 9 horas para el plomo y 15 horas para el cobre. En cuanto al componente experimental, las cinéticas de adsorción para ambos metales evidenciaron que no es posible tipificar un orden de reacción para cada ensayo propuesto, motivo por el cual se analizaron por tramos o etapas. La mayoría de cinéticas corresponden a una reacción de segundo orden en cada uno de los tramos estudiados, lo que indica que los metales desaparecieron a una tasa proporcional al cuadrado de sus concentraciones. En los ensayos en lotes de manera individual, el modelo de Freundlich presenta el mejor ajuste a los datos experimentales del Cu y Pb para las mayoría de las dosis usadas. Para ensayos con mezcla de metales, el mejor ajuste corresponde al modelo de Freundlich multicomponente. Las capacidades de adsorción en continuo en soluciones individuales son mayores que cuando se encuentran en mezcla, lo cual podría obedecer a que, en el último caso al contar con presencia simultánea de metales, se presenta competencia de ambos por ser retenidos en los sitios activos del lecho. Finalmente, se encontró que el MSBF reproduce de manera aceptable los datos experimentales de las soluciones individuales y en menor proporción las soluciones en mezcla. Se presenta un mejor ajuste respecto de propuestas teóricas de coeficientes en el caso del cobre, debido a que el coeficiente de transferencia de masa no requirió un factor de corrección, contrario a lo sucedido con el plomo. Pese a lo anterior, se puede mencionar que el modelo presenta incertidumbre debido a que en su formulación matemática sólo se incluyó el mecanismo de transferencia de masa relacionado con el gradiente de concentración, y no se consideraron factores de interacción entre los metales, efectos internos o externos del proceso, así como otras características físicas o químicas de los metales, puesto que no se cuentan con expresiones matemáticas para poder incluirlas y mejorar la predicción del modelo.

Abstract: The following document presents a phenomenological based semi-physical model (PBSM) for the copper and lead sorption from leachate landfills with coffee pulp waste as adsorbent material. In the same way, the results of the experimental component were shown, in which lotes and column tests were developed with the metals in individual and mixture solution, determining adsorption capacities and removal efficiencies, in order to establish comparisons of the actual behavior with the model predictions. Initially the coffee pulp waste was chemically and thermally modified to improve its physical and chemical conditions. It was characterized before and after its modification in terms of its zero-point charge, surface area, identification and quantification of functional groups, elemental and morphological analysis, as well as its lignin, cellulose and hemicellulose content. The leachate was taken from the Neil Road landfill, at Chico city, North California, USA. After its physicochemical characterization, it was necessary to add lead and copper standards to reach the concentrations stated in the study, because under normal conditions their concentrations were very low. An experimental design was developed through the response surface method, finding that the optimal values of the variables for individual solutions were: pH of 4 for copper and 3,3 for lead, initial concentration of 2ppm and 1,5ppm for copper and lead, respectively. For mixture solutions, the pH value was 6,5 and the initial concentration for each one of the metals was 1ppm. The contact time was not a statistically significant variable, however, in order to set a value for lotes and column tests, 12 hours was taken as the optimum value for the mixed solution, 9 hours for lead and 15 hours for copper As for the experimental component, the adsorption kinetics for both metals showed that it is not possible to describing a single reaction order for each proposed test, reason for which sections or steps analyzed them. Most kinetics correspond to a second order reaction in each of the studied sections, which indicates that the metals disappeared at a rate proportional to the square of their concentrations. In individual lotes tests, the Freundlich model shows the best fit to the experimental Cu and Pb data for most of the doses used. For tests on mixture systems, the best fit corresponds to the Freundlich multicomponent model. The continuous adsorption capacities in individual solutions are greater than when they are in mixture, which could be because, in the latter case, due to the simultaneous presence of two metals, there is competition from both to be retained in the active sites of the bed Finally, it was found that the model replicate in an acceptable way the experimental data of the individual solutions and in smaller proportion the mixture solutions. A better adjustment is showed in the case of copper because the mass transfer coefficient did not require a correction factor, contrary to what happened with lead. In spite of the above, it can be mentioned that the model has uncertainty because in its mathematical formulation it only includes the mechanism of mass transfer related to the concentration gradient, and factors of interaction between in both metals were not taken into account, internal or external effects of the process, as well as other physical or chemical characteristics of metals, since mathematical expressions are not available to include them and improve the prediction of the model.