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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
ADSORCIÓN DE ARSÉNICO EN ZEOLITA NATURAL PRETRATADA
CON ÓXIDOS DE MAGNESIO
Flérida MEJÍA-ZAMUDIO
1,3
, Jesús L. VALENZUELA-GARCÍA
1
,
Salvador AGUAYO-SALINAS
1
y Diana MEZA-FIGUEROA
2
1
Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia,
2
Departamento de Geología, Universidad de Sonora, Blvd.
Luis Encinas y Rosales s/n, Col. Centro, Hermosillo, Sonora, México. 83000. Correo electrónico: feridam@
iq.uson.mx
3
Instituto de Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja Cali±ornia, Blvd. Benito Juárez s/n, Mexicali, Baja
Cali±ornia, México. 21900
(Recibido noviembre 2008, aceptado abril 2009)
Palabras clave: chabazita, adsorción, arsénico, zeolita natural
RESUMEN
Se desarrolló una metodología para pretratar una zeolita natural (chabazita) con óxido
de magnesio para remover arsénico (As
+5
) en agua de consumo humano. Se propone
un tratamiento con óxido de magnesio por considerarse un adsorbente e²ciente para
remoción de metales en agua. El análisis de di±racción de rayos X muestra cambios
signi²cativos en la chabazita debido a la presencia de óxidos e hidróxidos amor±os
incorporados durante el pretratamiento. Los resultados del diseño experimental mues-
tran una e²ciencia superior a 90 % de As
+5
adsorbido en un tiempo de cinco minutos.
Los resultados indican que las variables más signi²cativas que a±ectan la adsorción
de As
+5
son la concentración inicial de As y la relación sólido/líquido (S/L). Los datos
experimentales se ajustan de mejor ±orma a la isoterma de Freundlich, con lo que se
obtiene una capacidad de adsorción de 20.17 mg/g.
Key words: chabazite, adsorption, arsenic, natural zeolite
ABSTRACT
A methodology was developed to modi±y a natural zeolite (chabazite) with magne-
sium oxide in order to remove arsenic (As
+5
) ±rom water ±or human consumption. It
is proposed a magnesium oxide while regarded as an e±²cient adsorbent ±or removing
metals in water. X-ray di±±raction analyses show signi²cant changes in the chabazite
due to the presence o± oxides and amorphous hydroxides incorporated during the
pretreatment. Experimental design results show an e±²ciency greater than 90 % o±
As
+5
adsorbed in ²ve minutes. The results indicate that the most signi²cant variables
a±±ecting the adsorption o± As
+5
are the initial concentration o± As and the solid/liquid
(S/L) ratio. Experimental data ²tted better to Freundlich isotherm with a 20.17 mg/g
adsorption capability.
Rev. Int. Contam. Ambient. 25 (4) 217-227, 2009
F. Mejía-Zamudio
et al.
218
INTRODUCCIÓN
El arsénico, tanto en su forma orgánica como
inorgánica, es un elemento tóxico a la salud humana
que persiste en el ambiente como resultado de conta-
minación natural y antrópica (Söros
et al
. 2003). La
exposición crónica a arsénico, aún en bajas concentra-
ciones, puede ocasionar diversos problemas a la salud
(Rivera y Piña 2005). Las fuentes antrópicas comunes
incluyen incineradores de basura, combustión, re±-
nerías y gasolinas (Ozaki
et al
. 2004). Las emisiones
a la atmósfera pueden incorporarse a suelos y aguas
super±ciales a través de procesos de depósito por vía
seca o húmeda (Carbonell
et al
. 1995). Las fuentes
naturales incluyen la lixiviación de minerales que
contienen arsénico, que afecta principalmente a las
aguas subterráneas (Thirunavukkarasu
et al
. 2002).
La reducción de los niveles de arsénico en aguas
de consumo humano representa uno de los retos
ambientales prioritarios a nivel mundial (Thiruna-
vukkarasu
et al
. 2002). En México se han reportado
problemas de contaminación de arsénico en agua en
las siguientes regiones: Comarca Lagunera (Rosas
et
al
. 1999), Zimapán, Hidalgo (Romero
et al
. 2008),
Guanajuato (Mahlknecht
et al
. 2004), Zacatecas,
Zacatecas (Castro
et al
. 2003) y Cuautla, Morelos
(García y Armienta 1996).
Se han desarrollado estudios de toxicidad y costos
para la implementación de sistemas de remoción de
metales en las plantas potabilizadoras por medio
de la Organización Mundial de la Salud (OMS), la
Unión Europea, la Agencia de Protección Ambiental
de Estados Unidos (USEPA), entre otros organismos
internacionales (Mohan y Pittman 2007). Gracias a
lo anterior se han establecido los límites máximos
permisibles de arsénico en agua para consumo hu-
mano (
Cuadro I
).
La química del arsénico en medio acuoso es
compleja y depende de varios factores, incluyendo
pH y potencial redox (Eh). De acuerdo al diagrama
potencial-pH mostrado en la
fgura 1
, el arsénico es
un elemento más o menos noble; es decir, se requieren
condiciones de oxidación o reducción moderadas o
altas para solubilizarlo. La presencia del oxígeno
atmosférico u otro oxidante promueve su disolución
(Pourbaix 1966).
Los estados de oxidación más comunes de ar-
sénico inorgánico en el agua son el arsénico triva-
lente As
+3
, encontrado en aguas subterráneas, y el
arsénico pentavalente As
+5
que prevalece en aguas
super±ciales. El As
+5
es presentado como H
3
AsO
4
;
sus correspondientes productos de disociación son
H
2
AsO
4
-
, HAsO
4
2
-
y AsO
4
3
-
. As
+3
aparece como
H
3
AsO
3
; sus productos de disociación son H
4
AsO
3
+
,
H
2
AsO
3
-
, HAsO
3
2
-
y AsO
3
3
-
, considerado el más
tóxico (Cullen y Reimer 1989).
Existen diversas tecnologías para remover arsé-
nico del agua:
i) Coagulación/precipitación: proceso de desesta-
bilización de las partículas suspendidas, donde
se reducen las fuerzas de separación entre ellas,
formando una malla tridimensional y porosa de
coágulos (Fiol y Villaescusa 2001).
ii)
Osmosis inversa: consiste en separar los io-
nes metálicos del e²uente al hacerlos pasar a través
de una membrana semipermeable con alta presión,
quedando retenidos en la membrana (Lankford y
Eckenfelder 1990)
iii) Electrodiálisis: consiste en separar iones de un
fluido mediante la utilización de membranas
selectivas catiónicas y aniónicas. Estas membra-
nas se colocan de forma alterna, constituyendo
CUADRO I.
NIVELES MÁXIMOS PERMISIBLES DE CON-
CENTRACIÓN DE ARSÉNICO
País/Organización
[As] mg L
-
1
OMS
0.010 (WHO 2004)
EUA
0.010 (USEPA 2001)
Unión Europea
0.010 (European Union 1998)
Chile
0.050 (Diario O±cial de la
República de Chile 1984)
India
0.010 (Mohan y Pittman 2007)
México
0.025* (SSA 1994)
* Norma O±cial Mexicana, NOM-127-SSA1-1994
0
-2.0
-1.5
-0.5
-1.0
0.0
Eh (Volts)
0.5
1.5
H
3
AsO
4
H2AsO
4
-
As
HAsO
3
-
HAsO
4
2
-
AsO
4
3
-
HAsO
2
1.0
2.0
6
pH
8
10
12
14
2
4
Fig. 1.
Diagrama Eh-pH del sistema As-H
2
O.
ADSORCIÓN DE ARSÉNICO EN ZEOLITA PRETRATADA
219
celdas; al fnal del apilamiento de membranas se
activan electrodos, estableciendo una diFerencia
de potencial eléctrico (Ochoa 1996).
iv) Adsorción: se utiliza un sólido como adsorbente
para eliminar sustancias solubles del agua, las
cuales se unen a la superfcie mediante Fuerzas
electrostáticas o de van der Waals. Dentro de los
materiales con capacidades más altas de adsor-
ción están el carbón activado, alúmina activada,
arenas, zeolitas naturales, entre otros (Goel
et al.
2004).
Existen otras alternativas como los medios basa-
dos en adsorbentes modifcados, como el hierro con
sulFuro, hidróxido Férrico granular, óxido de titanio,
las arenas cubiertas con óxido de hierro o de manga-
neso, bauxita, hematita, Feldespato, laterita, minerales
arcillosos (bentonita, caolinita), carbón de hueso y
material celulósico (D’Ambrosio 2005). Algunos
investigadores han descrito diFerentes Formas de
preparación en las zeolitas naturales con disoluciones
de sales o hidróxidos (Chen y Degnan 1988, Gómez
2001). Se han utilizado compuestos metálicos como
adsorbentes selectivos para cationes y aniones como
el arsénico en soluciones acuosas, como es el caso de
hierro, zirconio, hidróxido de magnesio, Ferromanga-
neso y bauxita, entre otros (Petkova
et al
. 1997, SAND
2002). El objetivo del presente estudio es desarrollar
una metodología para modifcar una zeolita natural tipo
chabazita con hidróxido de magnesio y determinar la
capacidad para disminuir la concentración de arsénico
en agua para consumo humano.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se utilizó una zeolita natural, chabazita (Ca2
[(AlO2)4(SiO2)8]•12H2O), proveniente del depósito
La Palma, ubicado en el municipio de Divisaderos,
Sonora, México. La zeolita se redujo de tamaño con
una quebradora de quijada marca Leland ±araday
de 170 X 135 mm, 5 HP y quebradora de cono de
cabeza corta, marca General Electric, de 222 mm,
de 1 HP. El producto se tamizó en una cribadora
rotatoria portátil Rx-24; 80 % pasó por la malla #40
(0.424 mm) y 40 % quedó en la malla #60 (0.24
mm). La caracterización se llevó a cabo por medio
de un análisis químico convencional, determinando
%w (porcentaje en peso) de la relación Si/Al, %Al,
%Al
2
O
3
y %SiO
2
con técnicas ya establecidas por la
NOM-021-SEMARNAT-2000 (SEMARNAT 2000).
En el
cuadro II
se presentan los resultados de dichos
análisis.
Preparación de la zeolita pretratada
Se preparó una solución de ácido clorhídrico (HCl)
2M, sobresaturada con óxido de magnesio (MgO) a
98 % en un matraz erlenmeyer de 250 mL. Se separó
la solución del exceso de MgO y se utilizó la solución
para la preparación de la zeolita pretratada (ZP). Por
otra parte, en otro matraz erlenmeyer de 250 mL se
colocaron 10 g de zeolita natural (ZSP) y se mezclaron
con 100 mL de la solución sobresaturada con MgO.
Se dejó en agitación magnética por 20 horas. Después
se fltró la mezcla y se secó en un horno a 110 °C. El
diagrama experimental se muestra en la
fgura 2
. El
pretratamiento es sencillo y económico comparado con
otros que requieren un proceso más complejo, como
es el caso del estudio realizado por Gu
et al.
(2005).
Análisis de la zeolita natural y pretratada
Las muestras se examinaron con un microscopio
electrónico de barrido (MEB) JEOL 5300, para obser-
var la morFología y realizar el análisis de los elementos
en varios puntos previamente seleccionados. Se utiliza-
ron 8 µm de distancia y voltaje de aceleración de 15 kV.
El análisis de diFracción de rayos-X se realizó con un
diFractómetro de rayos–X (D8-Advance), utilizando
los siguientes parámetros:
l
=1.52, 45 kV y 40 mA.
Diseño de experimentos
Se siguió una metodología de superfcie de res-
puesta (MSR) de segundo orden y un diseño central
compuesto 2
4
con ocho puntos axiales y una cara
centrada (Box y Wilson 1951, Montgomery 2002).
La representación matemática expresada en la
ecuación (1) es del modelo de MSR de segundo orden
(±igueroa 2003):
y
=
β
0
+
β
i
x
i
+
i
=
1
k
β
ij
x
i
x
j
+
β
ii
x
2
+
e
,
i
=
1
k
i
=
1
j
-
1
j
=
2
k
(1)
donde
e
representa el ruido o error observado en la
respuesta
y
.
En el
cuadro III
se observan los límites de los
Factores cuantitativos del diseño de experimentos
realizados en el programa estadístico JMP IN 5.1
(SAS Institute Inc. 2004).
CUADRO II.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS ZEOLI-
TAS, NATURAL (ZSP) Y PRETRATADA (ZP)
Zeolitas
Relación
%
w
Si/Al
%SiO
2
%Al
%Al
2
O
3
ZSP
3.29
48.10
6.77
12.8
ZP
3.42
43.72
6.22
11.75
F. Mejía-Zamudio
et al.
220
Pruebas de adsorción
Las soluciones de arsénico se prepararon con ar-
senato de sodio (Na
2
HAs
4
.7H
2
O, 98 %) para obtener
concentraciones iniciales de arsénico de 0.05, 0.275
y 0.5 mg/L. Se colocó la zeolita natural pretratada
con un contenido en peso de 1, 5.5 y 10 g, respecti-
vamente en tubos de plástico de 50 mL, con 25 mL
de solución de arsenato de sodio a diversas concen-
traciones (0.05, 0.275 y 0.5 mg/L). La agitación de
las muestras se mantuvo por 5, 32.5 y 60 minutos,
a pH de 5, 7 y 9, el cual se ajustó con soluciones de
HNO
3
1M y NaOH 1M, posteriormente, las muestras
se fltraron con papel Whatman 41. El análisis de ar-
sénico se realizó por espectro±otometría de absorción
atómica, con generador de hidruros, en un Perkin
Elmer 2380 a una longitud de onda de 193.7 nm, de
acuerdo al procedimiento señalado por la NOM-117-
SSA1-1994 (SSA 1994).
Isotermas de adsorción
El estudio de las isotermas de adsorción se llevó
a cabo a di±erentes concentraciones iniciales de As
+5
:
0.05, 0.1 0.5 y 1 mg/L. La masa del adsorbente en la
zeolita natural pretratada se mantuvo constante en 1 g
durante el experimento, con un volumen de 25 mL de
solución de arsénico, tomando una alícuota de 5 mL
a los siete y catorce días de contacto, a temperatura
promedio de 25 ºC.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis de la caracterización de la zeolita natural
y pretratada
La composición química de la zeolita natural
(ZSP) y zeolita pretratada (ZP) se muestra en el
cuadro II
; los porcentajes de Al, Al
2
O
3
y SiO
2
son
Solución sobresaturada
de HCl 2M con
MgO
Caracterización
Análisis químico, MEB y rayos-X
Mezcla de ZSP con solución
sobresaturada de MgO
Zeolita natural (ZSP)
Zeolita pretratada (ZP)
ZP + arsenato de sodio
Filtración y secado a 110ºC
Parámetros de adsorción:
pH = 5,7,9
Arsénico inicial = 0.05, 0.275 y 0.5 mg/L
Relación S/L =40, 220 y 400 g/L
Tiempo de contacto = 5, 32.5 y
60 min.
Fig. 2.
Esquema de preparación de la zeolita pretratada (Mejía 2008)
CUADRO III.
FACTORES CUANTITATIVOS DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Factores cuantitativos
Condiciones
pH
Arsénico
inicial
Relación
sólido/líquido
Tiempo de
contacto
Variable de
respuesta
MSR
[As]
0
(S/L)
t (min)
y
1 punto central
5
0.05
40
5
% [As]ads
1 réplica
9
0.5
400
60
Maximizar
Orden aleatorio
ADSORCIÓN DE ARSÉNICO EN ZEOLITA PRETRATADA
221
muy similares para ambas. Los sitios más activos de
una zeolita son donde ocurre el intercambio de los
átomos de aluminio que tienen la carga no balanceada
(Leyva
et al
. 2001); es decir que al aumentar el con-
tenido de aluminios, disminuye la relación Si/Al. En
la
fgura 3
se muestran los resultados de difracción
de rayos-X en ZSP y ZP. Los picos de difracción en
ZSP se observan en la
fgura 3a,
los cuales coinciden
con la carta JCPDS-34-0137 (Centro Internacional
de Datos de Difracción). Esto indica que el compo-
nente principal es de zeolita natural de tipo chabazita
(Ca
2
Al
4
Si
8
O
24
12H
2
O) y en menor proporción se
observan heulandita (Ca
2
(Al
2
Si
7
O
18
)
6H
2
O), cuar-
zo (SiO
2
) y erionita (K
1.96
Ca
3.56
(Al
9.48
Si
26.52
O
72
)
(H
2
O)
30.78
). En la
fgura 3b
se observan los resultados
de difracción de rayos-X en ZP, donde hay presencia
de ruido debido a los compuestos amorfos que se
incorporan durante el pretratamiento, como óxidos
e hidróxidos de la solución sobresaturada de MgO.
Análisis de microscopía electrónica de barrido
(MEB)
Una imagen en MEB de la zeolita proporciona
información de la morfología de la superFcie, forma,
distribución de los tamaños del cristal y presencia
de material amorfo (Hunter 1981). En la
fgura 4a
se observa la chabazita natural a escala de 100
m
m;
presenta una variación de tamaño de partículas con
forma estructural porosa y diferentes cavidades en
su estructura cristalina. En la
fgura 4b
se muestra
un diagrama de espectroscopía de rayos X por dis-
persión de energía (EDX), que indica los elementos
presentes en la zeolita natural. En la
fgura 5a
se
muestra el recuadro donde se llevó a cabo el análisis
MEB de la zeolita pretratada; se aprecian partículas
más pequeñas y Fnas comparadas con zeolita natural,
tomando en cuenta que la escala se incrementó para
poder observar mejor la morfología. El análisis semi-
cuantitativo de los elementos en las zeolitas natural
y pretratada se muestra en el
cuadro IV
, donde se
observa que no hay cambios signiFcativos en las
zeolitas; sin embargo, se presentó un incremento de
magnesio en la zeolita pretratada con respecto a la
natural. En la
fgura 5b
se observa el incremento
de magnesio en el espectro EDX; esto indica la
incorporación de óxido de magnesio durante el pre-
tratamiento.
Adsorción de arsénico
En la
fgura 6
se muestra que la zeolita pre-
tratada tiene resultados muy favorables, superiores
a 90 % de arsénico adsorbido. Se considera que la
1
3
100
μ
m
b
2500
2000
1500
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
6
Fe
Fe
Ca
Pd
Pd
KeV
klm - 1 - H
K
Au
Au
Al
Mg
Na
O
C
Au
Si
a
Fig. 4.
a) Micrografía de MEB de zeolita natural, b) Espectro
EDX analizado en varios puntos.
10
μ
m
a
b
2500
3000
2000
1500
1000
500
0
0
1
2
3
4
Fe
Ca
Cl
Cl
KeV
K
Al
Mg
O
Si
Fig. 5
a) Micrografía de MEB de zeolita pretratada, b) Espectro
EDX analizado en el recuadro.
Fig. 3.
Resultado de los patrones de difracción de rayos-X, a)
en la zeolita natural y b) zeolita pretratada
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
5
10
15
I (Cuentas)
20
25
2
θ
(grados)
Chabazita: Ca
2
Al
4
Si
8
O
24
.12H
2
O
30
35
40
45
ZP
ZSP
a)
b)
F. Mejía-Zamudio
et al.
222
incorporación de óxido de magnesio sobre la zeolita
contribuye a que se obtengan altos porcentajes de
adsorción. También se observa que el tiempo no
tiene un efecto signi±cativo, dado que la cinética
de adsorción es muy rápida. Se ha reportado que el
óxido de magnesio es un adsorbente muy e±ciente
para remover arsénico del agua, el cual puede disper-
sarse en las cavidades de las zeolitas y actuar como
centro básico con más fuerza que el propio de la
zeolita; estos centros constan de átomos de oxígeno
de la super±cie de los tetraedros [AlO
4
]
5
-
cargados
negativamente debido a la sustitución isomór±ca de
Si
4+
por Al
3+
. Sin embargo, tienen el inconveniente de
que se pueden carbonatar fácilmente con el dióxido
de carbono (CO
2
) atmosférico, provocando la dis-
minución de e±ciencia en la adsorción de arsénico
(Mirodatos
et al
. 1976, Gómez 2001, SAND 2002).
Payne y Abdel-Fattah (2005) comparan a la zeolita
natural clinoptilolita con chabazita, tratadas ambas con
hierro; indican que el mejor adsorbente de As
+5
fue la
chabazita, que adsobrió aproximadamente 50 % con
un tiempo de contacto de 48 h y 0.1 g del adsorbente.
Se puede observar que los resultados del presente
estudio son más favorables para la adsorción de
arsénico utilizando chabazita pretratada con MgO.
Debe tomarse en cuenta que algunos factores son
diferentes, como el tipo de yacimiento de la zeolita,
la forma en que se pretrató, el compuesto con el que
se pretrató y las condiciones de adsorción.
Comportamiento de los parámetros de adsorción
En el
cuadro V
se muestran los parámetros del
diseño de experimentos que se tomaron en cuenta
para el estudio de adsorción para zeolita pretratada.
Se observa que los porcentajes de arsénico adsor-
bido para los cincuenta experimentos van de 78.1 a
98.69 % [As]
ads
. Los resultados se aprecian de mejor
forma en el análisis de predicción.
La
fgura 7
muestra el análisis de los parámetros
del diseño de experimentos realizado en JMP IN
5.1.2, donde los parámetros estudiados revelaron
los siguientes resultados con respecto al porcentaje
de arsénico adsorbido. Se observó que el tiempo de
contacto y el pH no tienen efectos con respecto a la
adsorción, ya que se considera que su cinética es muy
rápida. Sin embargo, para los parámetros de la rela-
ción sólido/líquido (S/L) y las concentraciones ini-
ciales ([As]
0
) sí presentaron cambios signi±cativos.
La
fgura 8
muestra que no hay un efecto signi±-
cativo de pH con la adsorción de arsénico para zeolita
pretratada. Se ha reportado que As
+5
permanece
principalmente en forma de H
2
AsO
4
-
en rangos de
pH entre 3 y 6; mientras que HAsO
4
2
-
predomina en
valores de pH entre 8 y 10.5. En la región interme-
dia, en el rango de pH entre 6 y 8, ambas especies
coexisten (Xu
et al
. 2002); se puede decir que se
CUADRO IV
. ANÁLISIS SEMICUANTITATIVO EN LA ZEOLITA NATURAL Y
ZEOLITA PRETRATADA
Zeolita natural
Zeolita pretratada
Elementos
Elementos
%
w
Error
%
w
Elementos
Elementos
%
w
Error
%
w
O
51.56
+/-1.09
O
47.59
+/-1.15
Mg
0.77
+/-0.09
Mg
5.21
+/-0.18
Al
7.99
+/-0.23
Al
8.85
+/-0.26
Si
27.76
+/-0.30
Si
30.31
+/-0.28
Na
1.98
+/-0.14
Cl
2.95
+/-0.08
K
0.65
+/-0.05
K
0.79
+/-0.10
Ca
3.64
+/-0.14
Ca
1.20
+/-0.06
Fe
0.88
+/-0.07
Fe
1.10
+/-0.18
100
90
80
70
60
% [As] ads
50
40
30
20
10
0
5
10
15
20
25
30
Tiempo (min)
35
40
45
50
55
60
65
Fig. 6.
Efecto del tiempo de contacto con el porcentaje de ar-
sénico adsorbido en la zeolita natural (
ZSP) y zeolita
pretratada (
ZP). Condiciones: 0.5 mg/L; zeolita 1g,
pH= 7 y temperatura: 25 ºC.
ADSORCIÓN DE ARSÉNICO EN ZEOLITA PRETRATADA
223
adsorben efectivamente por ZP a un pH óptimo en-
tre 5 y 9, considerando este rango extenso para un
funcionamiento práctico. Se han encontrado otros
adsorbentes muy efectivos para el arsénico en rangos
de pH muy similares, como la alúmina impregnada
de La
+3
y Y
+3
, con pH óptimo entre 6-8 y grano de
chitosan impregnado de molibdeno, con pH óptimo
entre 2 y 4 (Wasay
et al
. 1996, Dambies
et al.
2000).
En la
fgura 9
se muestra que al incrementar la
relación S/L, la adsorción de arsénico es mayor en
el rango de 220 g/L a 440 g/L. Se observó que el
incremento de la concentración inicial de arsénico
fue un factor favorable en su adsorción, alcanzando
valores superiores a 95 %. En la
fgura 10a
se mues-
tra el perFl de contorno del diseño de experimentos.
Se puede observar que los valores de respuesta au-
mentan conforme los círculos se cierran, llegando a
una región óptima (RO) de mayor adsorción para los
factores cuantitativos más signiFcativos (
x
2
=[As]
0
y
x
3
=relación S/L). En la
fgura 10b
se muestra la
representación geométrica del diseño de superFcie
de respuesta en una placa con curvatura, alcanzando
una máxima adsorción cuando se tienen altas con-
centraciones de [As]
0
y de
relación S/L. La ecuación
(2) describe los parámetros más signiFcativos del
diseño de experimentos con respecto al porcentaje de
adsorción de arsénico, determinado en el programa
estadístico:
y
=
94.39
+
2.67
x
2
+
4.9
x
3
-
5.59
x
3
2
(2)
Isoterma de adsorción
La ecuación (3), expresada por Letterman y la
American Water Works Association (2002), corres-
ponde a la forma logarítmica de las isotermas de
±reundlich:
log
q
e
=
log
K
+
1
n
log
C
e
(3)
donde
q
e
es unidad de masa del adsorbato entre la
masa del adsorbente en el equilibrio (mg/g),
K
es la
constante de ±reundlich, relacionada con la capacidad
de adsorción, 1/n es la intensidad de adsorción y
C
e
es
la concentración inicial en equilibrio (mg/L). Valores
menores a 1 de 1/n indican un mejor mecanismo de
adsorción y de formación relativamente más fuerte
entre adsorbato y adsorbente (Patil
et al
. 2006).
En la
fgura 11
se muestran los resultados de los
parámetros obtenidos de las isotermas de adsorción,
que se ajustaron de mejor forma al modelo de ±re-
undlich,
correspondiente a la ecuación (3), con lo
CUADRO V.
PARÁMETROS DEL DISEÑO DE EXPERI-
MENTOS
pH
Arsénico inicial
(mg/L)
Relación S/L
(g/L)
Tiempo
(min)
%[As]
ads
5
0.5
40
5
87.60
5
0.5
400
5
98.22
5
0.5
400
60
97.95
7
0.275
220
32.5
96.09
5
0.5
40
60
87.89
5
0.5
400
60
97.95
7
0.275
220
5
96.30
9
0.05
400
5
87.01
9
0.5
400
5
98.11
7
0.275
220
32.5
96.97
5
0.05
400
60
94.84
9
0.5
400
60
96.92
9
0.5
40
60
85.04
5
0.05
400
60
93.66
5
0.05
400
5
92.36
7
0.05
220
32.5
92.53
5
0.275
220
32.5
91.93
5
0.05
400
5
94.57
9
0.5
40
5
91.76
7
0.275
40
32.5
78.81
9
0.275
220
32.5
96.58
5
0.05
40
60
82.63
7
0.275
220
5
92.66
9
0.5
400
60
98.35
9
0.05
40
5
85.50
5
0.5
40
5
88.29
9
0.5
400
5
98.69
7
0.275
220
60
93.79
5
0.5
400
5
97.69
9
0.05
40
5
85.16
7
0.275
400
32.5
98.25
7
0.05
220
32.5
89.92
9
0.5
40
60
95.81
5
0.5
40
60
87.69
7
0.275
400
32.5
98.65
9
0.05
400
60
90.63
9
0.275
220
32.5
98.41
9
0.05
40
60
78.27
7
0.275
40
32.5
78.10
9
0.05
400
60
92.11
9
0.5
40
5
86.67
5
0.05
40
60
90.27
9
0.05
40
60
83.84
9
0.05
400
5
94.10
5
0.05
40
5
84.67
7
0.5
220
32.5
97.65
5
0.05
40
5
82.20
5
0.275
220
32.5
93.89
7
0.5
220
32.5
98.41
7
0.275
220
60
94.34
F. Mejía-Zamudio
et al.
224
100.93
78.1
7
pH
[As]o
Relación
S/L
t
0.275
220
32.5
% [As] ads
5
9
0.05
0.5
40
400
5
60
94.39805
± 1.9333
Fig. 7.
Análisis de los parámetros del diseño de experimentos
100
99
98
97
96
% [As] ads
95
94
93
92
4
5
6
7
8
pH
9
10
[As]o=0.05 mg/L
[As]o=0.5 mg/L
Fig. 8.
Efecto del pH en la adsorción de arsénico en la zeolita
pretratada; tiempo de contacto 60 minutos y 1 g de
zeolita natural
Fig. 9.
Efecto de la relación sólido/líquido (S/L) en la adsorción
de arsénico en la zeolita pretratada
100
95
90
85
% [As] ads
80
75
70
0
50
100
150
200
250
300
350
S/L (g/L)
400
450
500
[As]o=0.05 mg/L
[As]o=0.5 mg/L
400
Relación S/L
40
%[As]ads
83.2475
85.82125
88.395
90.96875
93.5425
96.11625
0.05
[As]o
0.5
0
[As]o
Relación S/L
%[As]ads
R
O
Fig. 10.
a) Per±l de contorno del diseño de experimentos, b) Representación geométrica del
diseño de super±cie de respuesta
ADSORCIÓN DE ARSÉNICO EN ZEOLITA PRETRATADA
225
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
Log qe
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
-2.7
-2.4
-2.2
-1.9
-1.7
-1.4
-1.2
Log Ce
-0.9
-0.7
-0.4
Fig. 11.
Isoterma de adsorción de Freundlich en la zeolita
pretratada, a pH= 7 y T= ± 25 ºC
que se obtuvo una recta del
log q
e
contra
log C
e
. Con
estos resultados se comprueba un mejor mecanismo
de adsorción con 1/n = 0.705, de acuerdo con los
que mencionan Patil
et al.
(2006). El coefciente de
correlación del modelo de Freundlich es signifca-
tivo, alcanzando una R
2
= 0.943 y la capacidad de
adsorción es K = 20.17 mg/g.
CONCLUSIONES
La zeolita pretratada es un buen adsorbente de
arsénico, con más de 90 % de adsorción. Se puede
decir que la incorporación de óxidos de magnesio
sobre la zeolita es un ²actor muy signifcativo para
obtener resultados ²avorables en la adsorción de
arsénico.
Los resultados del diseño de experimentos deter-
minaron que las concentraciones iniciales de arsénico
y la relación sólido/líquido son los parámetros más
signifcativos para la adsorción de arsénico. Se en-
contraron los siguientes e²ectos:
La relación sólido/líquido, en el rango de 50
a 225 g/L aproximadamente, presenta un incre-
mento signifcativo con respecto a la adsorción de
arsénico; después de 225 g/L permanece constante
hasta 440 g/L, debido a que alcanza un máximo
de adsorción.
Se observa que el tiempo de contacto no in³uye,
dado que la cinética de adsorción es muy rápida.
El pH no tiene un e²ecto en la adsorción de arsé-
nico por la zeolita pretratada. En cambio, al incre-
mentar la concentración inicial de arsénico, hay un
porcentaje de remoción muy ²avorable.
Los datos experimentales se representaron de
mejor ²orma con el modelo de Freundlich.
AGRADECIMIENTOS
Este estudio se realizó a través del apoyo otorgado
por el Consejo Na cional de Ciencia y Tecnología
(CONACyT, Méxi co), el Departamento de Inge-
niería Química y Metalurgia de la Universidad de
Sonora y el Posgrado en Ciencias e Ingeniería de
la Universidad Autónoma de Baja Cali²ornia. En
²orma especial, se agradece al Dr. Wendell Ela de la
Universidad de Arizona y al Dr. Felipe Castillón de
la Universidad Nacional Autónoma de México, por
el apoyo brindado en la investigación.
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