Aplicación del sistema de oxidación Co/Al-PILC-BAP como tecnología alternativa para el tratamiento de un agua residual proveniente de la industria textil

Abstract

En esta tesis de maestría se investigó la aplicación del esquema secuencial intercambio catiónico (SAC) – intercambio aniónico (SBA) – oxidación (Co/Al-PILC-BAP) para el tratamiento de un agua residual proveniente de una industria textil (ARnD) de la región, contaminada con el colorante negro ácido 194 (NA-194). La tesis se desarrolló en el marco de la Convocatoria 852-2019 “Convocatoria de Proyectos Conectando Conocimiento 2019” del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación – Minciencias. La arcilla utilizada en este trabajo correspondió a un mineral esmectítico obtenido de una mina con explotación comercial, ubicada en el municipio de Armero-Guayabal en el departamento de Tolima – Colombia. Las técnicas implementadas para la caracterización del material después de la pilarización con aluminio e impregnación con cobalto incluyeron mediciones de espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de rayos X (DRX), espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), y sortometría de N2 a 77 K. Con los resultados se identificaron cambios químicos, estructurales y texturales del material, y se estableció que el cobalto impregnado en el soporte presenta un estado de oxidación +2. Estas modificaciones resultan prometedoras para la obtención de catalizadores con aplicación en procesos de oxidación basados en la activación de H2O2 con NaHCO3. En cuanto al tratamiento de intercambio iónico, variables como el pH, tiempo de contacto, capacidad de intercambio y reúso y regeneración fueron analizadas en la configuración implementada (1) SAC-(2) SBA. Se alcanzaron remociones de iones Ca2+, Mg2+, SO42-, Cl-, y del colorante NA-194 (de naturaleza aniónica) superiores al 98%, así mismo, el tratamiento influyó en la remoción de carbono total (CT), demanda química de oxígeno (DQO) y demanda biológica de oxígeno (DBO5), permitiendo alcanzar disminuciones del 11.29, 42.15 y 23.93%, correspondientes a valores finales de 1625 ± 98 mg C/L, 826 ± 50 mg O2/L y 302 ± 23 mg O2/L, respectivamente. El tratamiento de oxidación con el sistema Co/Al-PILC-BAP se estudió evaluando el efecto en las dosis de H2O2 y NaHCO3 sobre las remociones de CT y DQO mediante la metodología de superficie de respuesta (MSR) basada en un diseño central compuesto (DCC). Los datos presentaron un buen ajuste a modelos de regresión de segundo orden y tras la validación experimental los errores en las respuestas predichas y experimental para un enfoque multiobjetivo fueron menores al 6.51%. La velocidad de degradación de CT y DQO bajo las condiciones óptimas de reacción establecidas en el diseño experimental se ajustó en ambos casos a la ecuación empírica de Behnajaday-Modirshahla-Ghanbery (BMG) con remoción del 15.36 y 39.85%, correspondientes a valores finales de 1385 ± 58 mg C/L y 505 ± 58 mg O2/L, respectivamente. Aunque no se alcanzan los estándares de calidad para la disposición del ARnD contemplados en la Resolución 0631 de 2015 del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible para las actividades de fabricación de productos textiles, la relación DBO5/DQO de 0.59 obtenida con la aplicación del sistema Co/Al-PILC-BAP indica que, bajo las condiciones óptimas del tratamiento, el ARnD pasó a ser fácilmente biodegradable y permitiría la aplicación posterior de un tratamiento biológico. Adicionalmente las pruebas de fitotoxicidad en condiciones controladas permitieron identificar disminución en la toxicidad. El análisis económico básico de la tecnología implementada teniendo en cuenta el requerimiento de materias primas, agua y energía en las diferentes etapas del proceso indicó que la aplicación del sistema SAC-SBA-Co/Al-PILC-BAP tiene un costo 152.24 USD/m3 de ARnD. La remoción de los colorantes en el agua y la degradación de materia orgánica es un desafío para la ingeniería química, dada la variedad, complejidad y naturaleza recalcitrante, de allí que no exista una tecnología específica que sea aplicable a los diferentes sectores industriales. Además, las propuestas para el tratamiento de aguas coloreadas se realizan con moléculas modelo, y las aguas residuales industriales son un matriz muy compleja y poco estudiada. Se espera que el estudio del tratamiento con estructuras complejas y altamente tóxicas como el NA-194, pueda ser extrapolable al tratamiento de otros contaminantes orgánicos (Texto tomado de la fuente)

In this master thesis, the application of the sequential scheme cation exchange (SAC) - anion exchange (SBA) - oxidation (Co/Al-PILC-BAP) for the treatment of a wastewater from a textile industry (ARnD) in the region, contaminated with acid black dye 194 (NA-194), was investigated. The thesis was developed in the framework 852-2019 "Conectando Conocimiento 2019" of the Ministry of Science, Technology and Innovation - Minciencias. The clay used in this work corresponded to a smectite mineral obtained from a mine with commercial exploitation, located in the municipality of Armero-Guayabal in the department of Tolima - Colombia. The techniques implemented for the characterization of the material after pillarization with aluminum and impregnation with cobalt included Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR), X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and N2 sortometry at 77 K. With the results, chemical, structural and textural changes of the material were identified, and it was established that the cobalt impregnated in the support presents a +2 oxidation state. These modifications are promising for obtaining catalysts with application in oxidation processes based on the activation of H2O2 with NaHCO3. Regarding the ion exchange treatment, variables such as pH, contact time, exchange capacity and reuse and regeneration were analyzed in the implemented configuration (1) SAC-(2) SBA. Removal of Ca2+, Mg2+, SO42-, Cl-, and NA-194 ions (of anionic nature) was achieved more than 98%, likewise, the treatment influenced the removal of total carbon (TC), chemical oxygen demand (COD) and biological oxygen demand (BOD5), allowing to achieve decreases of 11. 29, 42.15 and 23.93%, corresponding to final values of 1625 ± 98 mg C/L, 826 ± 50 mg O2/L and 302 ± 23 mg O2/L, respectively. The oxidation treatment with the Co/Al-PILC-BAP system was studied by evaluating the effect of H2O2 and NaHCO3 doses on TC and COD removals using the response surface methodology (RSM) based on a central composite design (CCD). The data presented a good fit to second order regression models and after experimental validation the errors in the predicted and experimental responses for a multi-objective approach were less than 6.51%. The degradation rate of TC and COD under the optimal reaction conditions established in the experimental design was adjusted in both cases to the empirical Behnajaday-Modirshahla-Ghanbery (BMG) equation with removals of 15.36 and 39.85%, corresponding to final values of 1385 ± 58 mg C/L and 505 ± 58 mg O2/L, respectively. Although the quality standards for the disposal of ARnD contemplated in Resolution 0631 of 2015 of the Ministry of Environment and Sustainable Development for textile manufacturing activities are not met, the BOD5/DQO ratio of 0.59 obtained with the application of the Co/Al-PILC-BAP system indicates that, under optimal treatment conditions, ARnD became readily biodegradable and would allow the subsequent application of biological treatment. In addition, phytotoxicity tests under controlled conditions identified a decrease in toxicity. The basic economic analysis of the technology implemented, considering the requirement of raw materials, water and energy in the different stages of the process, indicated that the application of the SAC-SBA-Co/Al-PILC-BAP system has a cost of 152.24 USD/m3 of ARnD. The removal of colorants in water and the degradation of organic matter is a challenge for chemical engineering, given the variety, complexity and recalcitrant nature, hence there is no specific technology that is applicable to the different industrial sectors. Moreover, proposals for the treatment of colored water are made with model molecules, and industrial wastewater is a very complex and little studied matrix. It is expected that the study of the treatment with complex and highly toxic structures such as NA-194 can be extrapolated to the treatment of other organic pollutants.