Biosorción de arsénico en medio acuoso empleando biomasas vegetales inertes

Abstract

Se estima que al menos 140 millones de personas en el mundo y 250 mil en Perú se ven afectadas por el consumo de agua con concentraciones elevadas de arsénico (10,11). Aun cuando algunas tecnologías convencionales de tratamiento de agua son capaces de remover arsénico, usualmente tienen un costo elevado, su operación es compleja y son difíciles de aplicar a gran escala en países en desarrollo (26, 40, 66). La remoción de metales pesados utilizando materiales naturales ha sido analizada de manera intensiva en las últimas décadas; son numerosos los estudios desarrollados para describir los procesos de biosorción e identificar materiales con alta capacidad de remoción, bajo costo y ampliamente disponibles (36, 38, 62, 63, 64, 65). En base a experiencias de identificación de materiales naturales con capacidad para remover arsénico del agua (4, 13, 21, 26, 27, 34, 36, 38, 63, 66), en particular los ensayos realizados por la Facultad de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniería en años anteriores (49, 61); la presente tesis analiza la viabilidad de ocho especies vegetales para remover arsénico en medio acuoso e identifica los parámetros que caracterizan su capacidad de biosorción. Las especies analizadas – Phaseolus vulgaris, Oriza sativa, Triticum vulgaris, Hordeum sativum, Linum usitatissimum, Morinda citrifolia, Theobroma cacao, Zea mays se encuentran disponibles en el medio local, ya sea como productos de consumo directo o materiales de desecho de empresas agroindustriales. Para cada especie se identificaron los valores de masa y concentración para las cuales se obtuvo la máxima remoción, y su comportamiento se correlacionó con los modelos de cinética de sorción (primer y pseudo-segundo orden) y de biosorción de solutos simples (isotermas de Freundlich y Langmuir) calculando las constantes que describen dichos modelos. Los análisis se realizaron a través de ensayos en sistemas en lote (sistemas batch) con concentraciones de arsénico entre 25 y 1,000 µg/l, con 250 µg/l como concentración utilizada para los ensayos de cinética de biosorción. Estos valores se seleccionaron en base a concentraciones reportadas por fuentes naturales en el sur del Perú y otros lugares donde la contaminación por arsénico ha sido identificada como un problema, y donde la aplicación de sistemas de tratamiento convencional para agua de bebida no es posible dada las limitaciones técnicas y económicas. Los resultados obtenidos mostraron que todas las especies presentan una apreciable capacidad de remoción, entre 23.1% y 78.9%. Tres de ellas (Phaseolus vulgaris, Hordeum sativum, Linum usitatissimum) se correlacionaron de manera satisfactoria con los modelos de cinética de biosorción de primer y pseudo-segundo orden (R>0.90). Las muestras de Phaseolus vulgaris (frijol) y Hordeum sativum (cebada) presentaron la mayor capacidad de biosorción de arsénico con respecto a las otras especies analizadas (nfrijol=0.7274 y ncebada=0.9856). Dicha biosorción se encuentra descrita de manera satisfactoria por los modelos de biosorción de soluto simple de Freundlich. Aun cuando las concentraciones finales no satisfacen las guías y normatividad para el agua de bebida, los resultados obtenidos confirman que los materiales analizados pueden remover arsénico en concentraciones menores a 1 mg/l. Dicha capacidad de remoción puede ser potenciada mediante la modificación física, química y genética de los biosorbentes utilizados. En dicho contexto, los resultados obtenidos en la presente tesis podrían ser utilizados como base para el desarrollo de procesos de mejoramiento de la capacidad de remoción y de modelos piloto para la remoción de arsénico del agua de bebida. Asimismo, se recomienda analizar su aplicación en la remoción de otros metales pesados en medio acuoso.

It is estimated that more than 250 250 thousand in Peru – and over 140 million people globally –are at risk of consuming water with high arsenic concentration (10, 11). Even when some of the traditional water treatment technologies are capable to remove arsenic, they are usually costly, complex to operate and difficult to apply at large scale in developing countries (26, 40, 66). Heavy metals removal using natural materials has been intensively analysed over the past decades, and numerous studies have been developed to describe biosorption processes and to identify materials with high removal capacity, low cost and widely available (36, 38, 62, 63, 64, 65). This thesis studies the arsenic removal capacity of eight vegetal species and identifies the parameters characterizing their biosorption capacity. The analysis is based on existing experiences for the identification of natural materials with high capacity to remove arsenic from water (4, 13, 21, 26, 27, 34, 36, 38, 63 and 66); particularly those developed by the Environment Engineering Faculty, Engineering National University in recent years (49, 61). The species analysed were: Phaseolus vulgaris, Oriza sativa, Triticum vulgaris, Hordeum sativum, Linum usitatissimum, Morinda citrifolia, Theobroma cacao and Zea mays. They are all available in the local Peruvian market either as food products or by-products of agro-industrial processes. For each of the above mentioned species, the analysis included the identification of the mass and arsenic concentration associated with maximal removal capacity and correlations with the kinetic (first and second order) and unique solute biosorption models (Langmuir and Freundlich’s isotherm), by calculating the representative parameters of such models. Batch systems were used for laboratory tests, using arsenic concentrations between 25 and 100µg/l, being 250µg/l the one used for the kinetic tests. Testing values were selected based on the reported values by natural water sources in southern Peru and arsenic contaminated locations where traditional drinking water treatment systems are not applicable due to technical and economic limitations. Laboratory results shown that all selected species could remove arsenic; with removal rates between 23.1 and 78.9%. Samples of Phaseolus vulgaris, Hordeum sativum, Linum usitatissimum correlated positively with the first and second order kinetic models (R>0.90). Samples of Phaseolus vulgaris and Hordeum sativum shown the highest removal capacity among all tested species (nP.vulgaris=0.7274 y nH.sativum=0.9856); and results correlating with with Freundlich’s biosorption model. Even when final concentrations did not comply with drinking water guidelines and national regulation, results confirm that biosorption by the analysed materials operate with arsenic concentrations lower than 1 mg/l. Such removal capacity could be enhanced by physical, chemical and genetic processes. The results presented in the following thesis can be used as a basis for the development of processes to enhance the removal capacity of the analysed materials, as well as for water treatment pilots to remove arsenic from drinking water. It is also recommended that the analysed species are tested to identify their removal capacity related to other heavy metals.