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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambient. 19 (3) 137-144, 2003
ADSORCIÓN DE PENTACLOROFENOL EN SOLUCIÓN ACUOSA SOBRE
CARBONES ACTIVADOS COMERCIALES
Martha M. G. HERNÁNDEZ ORTA, Jovita MENDOZA BARRÓN, Rosa M. GUERRERO CORONADO
y Roberto LEYVA RAMOS
Centro de Investigación y Estudios de Posgrado, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis
Potosí, Av. Dr. M. Nava No. 6, San Luis Posotí
78810 SLP, México. Tel. +52(444) 8262441.
Correo electrónico: rlr@uaslp.mx
(Recibido enero 2002, aceptado agosto 2003)
Palabras clave:
adsorción, carbón activado, carbón oxidado, pentaclorofenol, plaguicida
RESUMEN
En este trabajo se investigó la adsorción de pentaclorofenol (PCF) en solución acuosa sobre los
carbones activados comerciales F-300, MG, F-400, VG, C y CG-700. Los carbones F-300, MG y F-
400 son fabricados de carbón bituminoso y los VG, CG-700 y C a partir de madera de pino, de
cáscara de coco y de aserrín de madera, respectivamente. Los datos experimentales de las
isotermas de adsorción de PCF se interpretaron usando las isotermas de Langmuir, Freundlich y
Prausnitz-Radke y se encontró que esta última ajustó mejor los datos que las otras dos. La
capacidad de adsorción de los carbones disminuyó en el orden siguiente MG
F-300 > F-400 >
VG > C > CG-700. Los tres carbones que poseen las mayores capacidades de adsorción son de
origen bituminoso. Los carbones F-300 y MG se oxidaron con ácido nítrico y se notó que la
capacidad de adsorción disminuyó 17.7
% para F-300 y 31 % para MG. El PCF se quimisorbe
sobre los carbones F-300 y MG.
Key words:
adsorption, activated carbon, oxidized carbon, pentachlorophenol, pesticide
ABSTRACT
The adsorption of pentachlorophenol (PCF) from aqueous solution onto the commercial activated
carbons F-300, MG, F-400, VG, C and CG-700, was investigated in this work. The F-300, MG and
F-400 carbons are manufactured from bituminous coal and the VG, CG-700 and C, from pinewood,
coconut shell and wood sawdust, respectively. The experimental adsorption isotherm data for
PCF were interpreted using the Langmuir, Freundlich, and Prausnitz-Radke isotherms, and it was
found that this last isotherm fitted the data better than the other two. The adsorption capacities
of the carbons diminished in the following order: MG
F-300 > F-400 > VG > C > CG-700. The
three carbons that possess the largest adsorption capacities are made from bituminous coal.
The F-300 and MG carbons were oxidized with nitric acid and it was observed that their adsorption
capacities decreased 17.7 % and 31 %, respectively. PCF is chemisorbed on the F-300 and MG
carbons.
M. M. G. Hernández Orta
et al.
138
INTRODUCCIÓN
La aplicación indiscriminada y sin control de
plaguicidas puede causar serios problemas a los eco-
sistemas y sus componentes; entre estos se incluyen: el
deterioro de la flora, de la fauna silvestre, terrestre y
acuática y la contaminación de suelos, mantos freáticos,
acuíferos profundos, aguas continentales y costeras. Por
otro lado, su uso sin control puede ocasionar la gene-
ración de plagas resistentes a los plaguicidas y muchos
de estos pueden ocasionar serios problemas a la salud
humana.
En México el uso más intenso de los plaguicidas es
en la agricultura y se estima que alrededor del 65 % del
consumo nacional de plaguicidas se aplica para combatir
y prevenir plagas y enfermedades en los cultivos de
maíz, sorgo, soya, caña de azúcar, arroz, hortalizas y
pastos (Alvarado Rodríguez 1996).
El pentaclorofenol (PCF) es el tercer plaguicida más
usado en los EUA, precedido solamente por la atrazina
y el alaclor. El principal uso del PCF es para controlar a
las termitas y se emplea frecuentemente como un éster
(laurato de pentaclorofenilo), para proteger la madera
de la putrefacción por hongos. El PCF es también
empleado como microbicida para la piel, en la fumigación
de interiores de vagones de embarques y en la
formulación de soluciones de fungicidas e insecticidas
(USDHH 1993).
El PCF está presente en el ambiente y se ha
detectado en agua superficial y de lluvia, en el agua
potable, en los sedimentos, en los organismos acuáticos,
y en el suelo y los alimentos (USDHH 1993). El PCF
se ha señalado como un contaminante orgánico prio-
ritario por la Agencia de Protección Ambiental de los
EUA (USEPA 1991). El PCF puede ser degradado en
el ambiente por procesos químicos, microbiológicos y
fotoquímicos (Kaufman 1978).
La contaminación de aguas superficiales por PCF
se debe a descargas directas y de fuentes no puntuales
como agua de retornos agrícolas, excedentes industriales
y municipales y lixiviados de basureros y rellenos sa-
nitarios. Los compuestos fenólicos clorados se encuen-
tran presentes en los efluentes acuosos de diversas
operaciones industriales, tales como producción de
resinas poliméricas, refinación de aceite, hierro y acero,
petróleo, pinturas, disolventes, plaguicidas, productos
farmacéuticos y en la preservación química de la madera
(Jianlong
et al
. 2000).
Los compuestos orgánicos se pueden eliminar del
agua por varios procesos, entre los que destaca la
adsorción sobre carbón activado y en la literatura
(USEPA 1991) se presenta como la mejor tecnología
disponible para tratar soluciones acuosas que contienen
compuestos aromáticos clorados. Muy pocos trabajos
se han reportado sobre la adsorción de PCF en solución
acuosa sobre carbón activado. Mollah y Robinson (1996)
investigaron la adsorción y desorción de PCF sobre car-
bón activado granular, así como el efecto de la
temperatura y el pH de la solución en la isoterma de ad-
sorción. Estos autores emplearon varios modelos de
isotermas para ajustar los datos experimentales de la
isoterma y encontraron que la de Prausnitz-Radke es la
que ajustó mejor. Además, reportaron que la masa de
PCF adsorbido disminuyó cuando la temperatura se
incrementó de 10 a 60 ºC. Una extensa revisión biblio-
gráfica sobre la adsorción de PCF en carbón activado
(Hernández Orta 2001) reveló que no se ha investigado
la dependencia de la capacidad de adsorción según el ti-
po de carbón y de las características de su superficie.
El objetivo de este trabajo es investigar la adsorción
de PCF sobre varios carbones activados comerciales,
así como estudiar el efecto del tipo de carbón y sus
características en la capacidad de adsorción.
MATERIALES Y MÉTODOS
En este trabajo se emplearon seis tipos de carbones
activados comerciales: F-300, F-400, C, MG, VG y CG-
700. El C es de origen vegetal, fabricado por Carbones
Mexicanos, S. A. a partir de desperdicios de madera
(aserrín). Los carbones F-300 y F-400 son manu-
facturados por Calgon Carbon Corp. a partir de carbón
bituminoso. Los carbones activados VG, CG-700 y MG
son fabricados por la compañía NOBRAC y se preparan
a partir de madera de pino, de cáscara de coco y de
carbón bituminoso, respectivamente.
Las partículas de carbón tal como se recibieron del
fabricante, contienen polvo adherido y su tamaño es muy
variable. Por esta razón, el carbón se tamizó y se ob-
tuvieron dos fracciones de tamaño de partículas de las
mallas -20 +30 y -30 +50. Los diámetros promedio de
las partículas correspondientes a estas fracciones fueron
0.694 y 0.418 mm, respectivamente. Enseguida, el
carbón se lavó varias veces con agua desionizada para
eliminar el polvo adherido y posteriormente, se secó
durante 24 horas en una estufa a 110 °C. Finalmente, el
carbón se guardó en recipientes sellados y secos.
El área superficial interna, el diámetro promedio de
los poros y el volumen promedio de los poros de los
carbones se determinaron por medio de un equipo de
fisisorción, marca Micromeritics, modelo ASAP 2010,
que se basa en el método de adsorción de gas nitrógeno
a temperatura cercana al punto de ebullición del nitrógeno
líquido (77
o
K). La densidad de la fase sólida de los
carbones se determinó por el método del desplazamiento
de helio en un picnómetro, marca Micromeritics, modelo
Accupyc 1330.
Los carbones activados F-300 y MG se oxidaron por
un procedimiento similar al reportado por Kuzin y
ADSORCIÓN DE PENTACLOROFENOL SOBRE CARBÓN ACTIVADO
139
Strashko (1966). A un vaso de precipitados de 1L se
agregaron 40 g de carbón y, luego, se adicionaron 200
mL de solución de ácido nítrico 50 % v/v. La solución
conteniendo al carbón se calentó durante 2 horas en
una parrilla eléctrica, procurando que la temperatura no
excediera de 50 °C. Esta solución ácida se dejó enfriar
y luego se drenó. En seguida, el carbón oxidado se lavó
varias veces con agua desionizada hasta que el pH del
agua de lavado ya no varió durante el lavado. El carbón
se secó a 110 °C en una estufa por 24 horas y se guardó
en recipientes de plástico cerrado. La oxidación del
carbón se efectuó a dos niveles que se denominaron
Ox1 y Ox3. Para el caso del carbón Ox1, la oxidación y
el drenado se efectuaron una sola vez, pero para Ox3
estas etapas se realizaron 3 veces y en cada una se usó
solución nueva de ácido nítrico.
Los sitios activos de los carbones activados se
determinaron empleando el método de titulación ácido-
base, propuesto por Boehm (1970). Los sitios ácidos se
neutralizaron con una solución patrón de NaOH y los
sitios básicos con una solución patrón de HCl.
Las soluciones de PCF se prepararon a partir de
una solución patrón de PCF de 4000 mg/L y diluyéndola
con agua desionizada. La solución patrón de PCF de
4000 mg/L se preparó agregando 1000 mg de PCF a un
matraz volumétrico de 250 mL y aforando con una
solución de NaOH 0.1 M.
La concentración de PCF en solución acuosa se de-
terminó por un método espectrofotométrico UV-Visible.
La absorbencia se determinó por medio de un espec-
trofotómetro UV-Visible de doble haz, marca Shimadzu,
modelo UV-160 y se midió a una longitud de onda de
250 nm para concentraciones de 1-10 mg/L y a 320 nm
para 10-100 mg/L. El espectrofotómetro se calibró a
cero usando como blanco la solución que se usó para
preparar la solución de PCF. El análisis de PCF en una
muestra se realizó midiendo la absorbencia de la muestra
y calculando la concentración por medio de una curva
de calibración.
Los datos experimentales de las isotermas de
adsorción se obtuvieron en un adsorbedor de lote que
constó de un matraz Erlenmeyer de 500 mL. El proce-
dimiento se describe a continuación. En un matraz
volumétrico de 500 mL se preparó una solución de PCF
de concentración inicial entre 50 y 250 mg/L y se tomó
una muestra de 10 ó 20 mL que, posteriormente, se ana-
lizó para corroborar la concentración inicial de PCF. La
solución restante se transfirió al adsorbedor de lote y,
enseguida, se agregó una canastilla de malla de nylon
conteniendo una masa de carbón activado entre 0.1 y
1.0 g. Dependiendo de la concentración inicial de PCF,
el pH inicial de la solución varío entre 10.7 y 11.8 y
disminuyó ligeramente durante la adsorción. El ad-
sorbedor se sumergió parcialmente dentro de un baño
de temperatura constante que tenía un recirculador de
agua para controlar la temperatura. Después de un
cierto período de tiempo, la solución del adsorbedor se
muestreó y se determinó la concentración de PCF por
espectrofotometría UV-visible. La solución de PCF y
el carbón activado se dejaron en contacto hasta que
alcanzaron el equilibrio, generalmente un periodo de 10
a 19 días fue suficiente. Se consideró que se había al-
canzado el equilibrio cuando las concentraciones de dos
muestras sucesivas ya no variaron entre sí. La masa
de PCF adsorbido se calculó mediante un balance de
masa.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Características de los carbones activados
Los valores del área superficial, volumen de poros,
diámetro promedio de los poros y densidad de la
partícula se muestran en la
tabla I
para los carbones
activados sin oxidar y oxidados.
En la
tabla I
se nota que las áreas superficiales de
los carbones activados sin oxidar varían entre 380 y
1115 m
2
/g. El carbón activado CG-700 tiene la menor
área superficial 380 m
2
/g y el carbón VG tiene la mayor,
1115 m
2
/g. Las propiedades del carbón activado depen-
den de la materia prima que se utilizó para prepararlo,
así como del procedimiento de activación (Cheremisinoff
y Cheremisinoff 1993). El intervalo de valores de las
áreas superficiales, volúmenes de poros, diámetros pro-
medio de los poros y densidades de los carbones
activados descritos en este trabajo son muy similares a
los valores reportados en la literatura (Cheremisinoff y
Cheremisinoff 1993), a excepción del área superficial
y del volumen de poro del carbón CG-700 que son
relativamente bajos.
TABLA I.
PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS CARBONES
ACTIVADOS
Tipo de carbón
Área
Volumen
Diámetro
Densidad
superficial
de poros
promedio de
de la
(m
2
/g)
(cm
3
/g)
los poros
partícula
(nm)
(g/cm
3
)
F-300
863
0.49
2.26
1.20
F-300 Ox1
882
0.50
2.27
1.18
F-300 Ox3
923
0.53
2.29
1.14
MG
889
0.45
2.02
1.24
MG Ox1
917
0.57
2.50
1.06
MG Ox3
938
0.59
2.52
1.04
F-400
987
0.59
2.38
1.10
C
768
0.40
2.07
1.09
VG
1115
0.78
2.81
0.75
CG-700
380
0.18
1.90
1.83
M. M. G. Hernández Orta
et al.
140
HCB
En la
tabla II
se reportan las concentraciones de
los sitios activos de los carbones F-300, F-400, C, MG,
VG, y CG-700 sin oxidar. Como se observa en esta tabla,
el carbón CG-700 tiene mayor concentración de sitios
básicos que ácidos, lo que indica que se trata de un carbón
de tipo básico. Lo opuesto ocurre con los carbones C y
VG que son de tipo ácido. Los carbones F-300 y MG
tienen concentraciones de sitios ácidos y básicos similares
y el carbón F-400 tiene ligeramente menor cantidad de
sitios básicos que ácidos. El orden decreciente de la
concentración de sitios ácidos es el siguiente: VG > C >
F-400
F-300 > MG > CG-700 y de la concentración de
sitios básicos es CG-700 > MG > F-300 > F-400 > VG >
C. En este trabajo las concentraciones de los sitios ácidos
y básicos de los carbones activados sin oxidar varían de
0.237x10
-3
a 1.771x10
-3
meq/m
2
y de 0.009x10
-3
a
0.895x10
-3
meq/m
2
, respectivamente. Las concentra-
ciones de los sitios
ácidos y básicos se encuentran dentro
del intervalo de valores reportados en la literatura para
carbones activados (Bohem 1994).
Las constantes de estas isotermas se evaluaron por el
método de mínimos cuadrados que empleó el método de
optimación de Rosenbrock y quasi-Newton. Se consideró
que la isoterma que mejor ajustó los datos es aquella que
presenta el menor porcentaje de desviación promedio
absoluto. Este porcentaje se evaluó por medio de la
ecuación siguiente:
donde N = número de datos experimentales.
Los porcentajes de desviación variaron de 4.09 a
11.2 % para la isoterma de Langmuir, de 3.38 a 12.1
% para la isoterma de Freundlich y de 1.02 a 9.8 %
para la isoterma de Prausnitz-Radke. Comparando los
valores de los porcentajes de desviación promedio, se
notó que la isoterma de Prausnitz-Radke ajustó mucho
mejor los datos experimentales que la de Langmuir y
ligeramente mejor que la de Freundlich. Los valores
de las constantes y los porcentajes de desviación pro-
medio absoluto de la isoterma Prausnitz-Radke se
muestran en la
tabla III
.
Con base a esto se decidió seleccionar a la isoterma
de Prausnitz-Radke para interpretar las isotermas de
adsorción de PCF sobre carbón activado. Mollah y
Robinson (1996) también reportaron que la isoterma de
Prausnitz-Radke ajustó mejor los datos experimentales
de adsorción de PCF sobre un carbón bituminoso gra-
nular. La isoterma de Prausnitz-Radke interpretó mejor
los datos debido a que las isotermas de Langmuir y
Freundlich son casos especiales de la isoterma de
Prausnitz-Radke (Radke y Prausnitz 1972).
β
TABLA III.
CONSTANTES DE LA ISOTERMA DE ADSORCIÓN
PRAUSNITZ-RADKE Y VALORES DE Q
100
Tipo de
Masa adsorbida
Prausnitz-Radke
carbón
de PCF
Q
100
ax10
-3
bx10
-2
% Desv.
(mg/g)
(L/g)
(mg
−β
L
β)
F-300
224
0.4645
0.0371
0.87
1.02
F-300 Ox1
163
0.0881
0.0116
0.83
3.27
F-300 Ox3
153
656.24
123.44
0.88
1.64
MG
227
0.1598
0.0122
0.88
5.77
MG Ox1
144
0.1477
0.0280
0.78
3.81
MG Ox3
129
0.0458
0.0091
0.79
1.91
F-400
155
0.1787
0.0125
0.98
4.04
C
51.8
397.42
153.00
0.85
5.46
VG
68.5
0.4887
0.3572
0.65
3.38
CG-700
24.0
57.977
36.640
0.91
9.80
m
q
KC
q=
1+KC
n
1
kC
q
=
(1)
(2)
(3)
aC
q=
1+bC
β
cal
exp
exp
qq
1
%Desv.=
100%
Nq
×
(4)
Isoterma de adsorción de pentaclorofenol
Los datos experimentales de las isotermas de adsor-
ción de PCF sobre los carbones activados F-300, MG, F-
400, VG, C y CG-700 sin ajuste de pH y a T=25 °C, se
interpretaron usando los modelos de las isotermas de
adsorción de Langmuir, Freundlich y Prausnitz-Radke
que se representan matemáticamente como:
TABLA II.
CONCENTRACIONES DE SITIOS ACTIVOS EN LOS
CARBONES ACTIVADOS
Tipo de carbón
Concentración de sitios
Ácidos
Básicos
(meq/m
2
)x10
3
(meq/g)
(meq/m
2
)x10
3
(meq/g)
F-300
0.371
0.32
0.324
0.28
F-300 Ox1
0.930
0.82
0.147
0.13
F-300 Ox3
1.008
0.93
0.141
0.13
MG
0.360
0.32
0.405
0.36
MG Ox1
1.080
0.99
0.131
0.12
MG Ox3
1.237
1.16
0.096
0.09
F-400
0.375
0.37
0.274
0.27
VG
1.771
1.36
0.078
0.06
C
1.417
1.58
0.009
0.01
CG-700
0.237
0.09
0.895
0.34
ADSORCIÓN DE PENTACLOROFENOL SOBRE CARBÓN ACTIVADO
141
En la
figura 1
se muestran los datos experimentales
de las isotermas de adsorción y las líneas representan las
isotermas de Prausnitz-Radke que se graficaron usando
los valores de las constantes reportados en la
tabla III
.
Los datos de las isotermas que se exhiben en la
figura
1
no muestran el comportamiento de la isoterma de
Langmuir porque la masa de PCF adsorbido no se hace
asintótica a concentraciones altas sino que se continúa
incrementando levemente con el aumento de la
concentración. Por esta razón, la isoterma de Langmuir
no interpretó adecuadamente los datos experimentales.
El comportamiento anterior se puede explicar
linealizando la isoterma de Langmuir en la forma siguiente:
Isotermas de adsorción de pentaclorofenol sobre los carbones
F-300, MG, F-400, VG, y CG-700. T=25 °C y sin ajuste de
pH. Las líneas representan la isoterma de Prausnitz-Radke
Los datos experimentales de la isoterma se expre-
san como q/C vs. q, a esta forma de representar los datos
se le conoce como gráfica de Scatchard (Guiochon
et
al
. 1994); en la
figura 2
se muestra la gráfica de
Scatchard para la adsorción de PCF sobre el carbón F-
300 a T=25 °C.
Los datos experimentales en la gráfica de Scatchard
no tienen un comportamiento lineal sino más bien
curvilíneo y por ello se considera que la isoterma de
Langmuir no representa satisfactoriamente los datos
experimentales.
Efecto del tipo de carbón sobre la adsorción de
pentaclorofenol
En esta sección se comparan las capacidades de
adsorción de los carbones F-300, MG, F-400, VG, C y
CG-700 para remover PCF de solución acuosa a T = 25
°C y sin ajuste del pH de la solución, las isotermas de
0
50
100
150
200
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
K
q
Kq
C
q
m
+
=
200
150
100
50
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
q/C (L/g)
q(mg/g)
250
Fig. 2.
Linealización de la isoterma de adsorción de pentaclorofenol
sobre carbón F-300. T=25 °C y sin ajuste de pH (Gráfica de
Scatchard)
adsorción del PCF sobre estos carbones se exhiben en la
figura 1
. Observando estas isotermas se nota que el PCF
se adsorbe considerablemente sobre los carbones F-300,
MG y F-400 y levemente sobre los carbones VG, C y
CG-700. Los primeros son fabricados a partir de carbón
bituminoso y los segundos de madera y de cáscara de
coco. Esto revela que la capacidad de adsorción del
carbón activado depende significativamente de la materia
prima que se usó para prepararlo.
En todo el intervalo de concentraciones de PCF en el
equilibrio, las isotermas de adsorción de PCF sobre los
carbones MG y F-300 fueron muy similares, lo que significa
que poseen casi la misma capacidad de adsorción para el
PCF. A concentraciones de PCF en el equilibrio, menores
de 5 mg/L, las capacidades de adsorción de los carbones
MG, F-300 y F-400 son muy similares. En general, el
carbón activado fabricado a partir de carbón bituminoso
adsorbe mucho más PCF de solución acuosa que los
carbones fabricados de madera y de cáscara de coco.
La comparación de las capacidades se realizó cal-
culando la masa adsorbida de PCF sobre cada tipo de
carbón para una concentración en equilibrio de PCF de
100 mg/L, se seleccionó esta concentración porque es
intermedia entre las concentraciones máxima y mínima
de PCF en equilibrio reportadas en este trabajo. A esta
masa adsorbida se le denominó Q
100
y sus valores están
reportados en la
tabla III
. Al estimar la relación o cociente
entre el Q
100
del carbón MG y el Q
100
de los demás
carbones, la capacidad de adsorción del carbón MG es
aproximadamente 1.01 veces mayor que la del carbón
activado F-300, 1.46 veces mayor que la del F-400, 3.31
veces mayor que la del VG, 4.37 veces mayor que la del
C y 9.47 veces mayor que la del CG-700. Con base en lo
anterior, el orden decreciente de la capacidad de los
carbones activados es MG
F-300 > F-400 > VG > C >
m
q
Kq+q K
C
=−
(5)
Masa adsorbida de PCF, (mg/g)
0
50
100
150
200
250
0
25
50
75
100
125
150
175
F-300
MG
F-400
VG
C
CG-700
02
55
0
75
100
125
150
175
Concentración en el equilibrio (mg/L)
250
Masa adsorbida de PCF (mg/g)
0
50
100
150
200
M. M. G. Hernández Orta
et al.
142
CG-700. Como se observa en la
figura 1
este orden es
dependiente de la concentración en el equilibrio de PCF.
Excepto para el carbón CG-700, la capacidad de ad-
sorción decrece en el mismo orden en que desciende la
concentración de sitios básicos (Ver
Tabla II
). Esto indica
que la capacidad de adsorción debe estar relacionada
con la concentración de los sitios básicos.
Los valores de las áreas superficiales de los carbones
activados se reportan en la
tabla I
y decrecen en el orden
siguiente: VG > F-400 > MG > F-300 > C > CG-700,
pero las capacidades de adsorción no decrecen en el
mismo orden. En otras palabras, el carbón VG que posee
la mayor área superficial no tiene la mayor capacidad de
adsorción. Esto se puede explicar considerando que la
adsorción de PCF es específica y por eso no depende
exclusivamente del área superficial.
Con base en el resultado anterior, se consideró que la
materia prima del carbón activado afecta considera-
blemente la capacidad de adsorción de PCF y que el
carbón activado de origen bituminoso adsorbe mucho
más que los de madera y de cáscara de coco.
Oxidación de los carbones F-300 y MG
Con el propósito de investigar cómo afectan las carac-
terísticas de la superficie del carbón a su capacidad de
adsorción, los carbones activados F-300 y MG se modi-
ficaron por medio de oxidación con ácido nítrico. Se
seleccionaron estos dos carbones porque son los que
presentaron la mayor capacidad de adsorción de PCF.
La oxidación de los carbones se realizó a dos niveles que
se denominaron Ox1 y Ox3, dependiendo de la duración
de la oxidación.
En la
tabla I
se reportan las propiedades físicas de
los carbones oxidados. Los resultados revelan que la
oxidación causa un aumento leve en el área superficial
de los dos carbones y que se incrementa ligeramente
con el nivel de oxidación; en otras palabras, el área
superficial del carbón Ox3 es levemente mayor que la
del Ox1. El volumen de los poros también aumenta
ligeramente con la oxidación; esta tendencia se debe a
que el área superficial depende del volumen del poro y
viceversa. El aumento del área superficial con la oxidación
se puede atribuir a que parte de la estructura sólida del
carbón se consumió durante la oxidación por la acción
del ácido nítrico ocasionando la formación de más
poros
que incrementaron el área superficial y el volumen de los
poros. Otra posible explicación es que parte de la pared
de los poros que ya existían, se consumió durante la
oxidación provocando el aumento en el volumen de poros
(Pittman
et al.
1997), esto se corrobora con la disminución
de la densidad de la partícula al aumentar el grado de
oxidación.
Las concentraciones de los sitios activos de los
carbones oxidados aparecen en la
tabla II
. La oxidación
de los carbones F-300 y MG aumentó la concentración
de sus sitios ácidos y disminuyó la de los sitios básicos,
esta tendencia se mantuvo con el aumento del nivel de
oxidación. Bernal Jácome (1999) oxidó los carbones C y
F-400 con ácido nítrico y reportó la misma tendencia.
Las concentraciones de los sitios ácidos aumentaron 2.6
a 2.9 veces para el carbón F-300 y alrededor de 3 a 3.6
veces para el MG. Por otro lado, las concentraciones de
los sitios básicos disminuyeron alrededor de 2.2 veces
para el F-300 y de 3 a 4 veces para el MG. La explicación
de esta tendencia se basa en que la oxidación de los
carbones con ácido nítrico induce la formación de grupos
funcionales conteniendo oxígeno sobre la superficie del
carbón oxidado. Estos grupos son ácidos y su presencia
afecta de manera decisiva a la capacidad de adsorción
del carbón activado (Slawomir 1987).
En este trabajo, las concentraciones de sitios ácidos y
básicos de los carbones oxidados variaron de 0.82 a 1.16
meq/g y de 0.09 a 0.13 meq/g, respectivamente, valores
que están dentro del intervalo de los reportados en la
literatura para carbones oxidados con ácido nítrico (Ban-
dosz
et al.
1992).
Efecto de la oxidación del carbón en la isoterma de
adsorción
Las isotermas de adsorción del PCF sobre los carbones
F-300 y MG sin oxidar, Ox1 y Ox3 se exhiben en las
figuras 3
y
4
, respectivamente. En estas figuras se
observa que la capacidad de adsorción de ambos
carbones disminuye con la oxidación y también con el
nivel de oxidación.
Comparando las masas adsorbidas de PCF para
concentraciones en equilibrio de 100 mg/L, Q
100
(ver
Tabla III
), de los carbones sin oxidar con las de los
carbones oxidados Ox1, la Q
100
se redujo 26.3 % para el
carbón F-300 y 36.6 % para el MG. La Q
100
disminuyó
muy levemente cuando los carbones Ox1 se oxidaron
todavía más. Por ejemplo, la Q
100
del carbón MG Ox1
decreció 6.1 % cuando se convirtió a MG Ox3.
Como se mencionó anteriormente, la oxidación del
carbón incrementó la concentración de los sitios ácidos
pero disminuyó la de los básicos. Basándose en esto, la
disminución en la capacidad de adsorción por la oxida-
ción se puede explicar suponiendo que el PCF se adsorbe
principalmente en los sitios básicos. En la sección ante-
rior se afirmó que la capacidad de adsorción del PCF por
el carbón activado es función de la concentración de sitios
básicos y esto corrobora esta suposición.
Mecanismo de adsorción del PCF sobre carbón
activado
El mecanismo de adsorción se puede elucidar cono-
ciendo las interacciones de la molécula del PCF con los
complejos superficiales del carbón (sitios de adsorción).
El PCF se puede encontrar en solución acuosa en forma
disociada formando el anión pentaclorofenolato o bien
ADSORCIÓN DE PENTACLOROFENOL SOBRE CARBÓN ACTIVADO
143
Masa adsorbida de PCF, (mg/g)
0
50
100
150
200
250
0
25
50
75
100
125
150
F-300 sin oxidar
F-300 Ox1
F-300 Ox3
250
200
150
100
50
0
0
25
50
75
100
125
150
Masa adsorbida de PCF (mg/g)
Concentración en el equilibrio (mg/L)
sin disociar. Con base en el diagrama de especiación
preparado por Hernández Orta (2001), la especie pre-
dominante es el anión pentaclorofenolato cuando el pH
de la solución es mayor de 7.
Al contactar carbón activado con una solución acuosa,
se genera una carga en la superficie del carbón oca-
sionada por las interacciones de los iones presentes en la
solución y en la superficie. La carga de la superficie de
los carbones F-300 y MG se evaluó en un estudio anterior
(Hernández Orta 2001) y se obtuvieron los valores del
punto de carga (PCC) de estos carbones que son 6.9 y
6.2, respectivamente. El PCC es el valor del pH al cual
la carga de la superficie es neutra, la carga es positiva
para pH menores al PCC y es negativa para pH mayores.
Hernández Orta (2001) realizó experimentos de
desorción del PCF adsorbido sobre carbón activado para
estudiar la reversibilidad de la adsorción de PCF sobre
los carbones F-300 y MG y reportó que la adsorción de
PCF sobre estos dos carbones es irreversible.
En virtud de que todos los experimentos de adsorción
se efectuaron a pH mayores de 10, el PCF se encontraba
en la solución acuosa como anión pentaclorofenolato y la
superficie del carbón estaba cargada negativamente; esto
implica que los aniones pentaclorofenolato son repelidos
por la superficie del carbón pero aun así se adsorbieron
venciendo las fuerzas de repulsión. Con base en todo lo
anterior se puede considerar que la adsorción de PCF no
es electrostática sino más bien química, esto se funda-
menta en que es específica ya que ocurre principalmente
en los sitios básicos y además es irreversible.
CONCLUSIONES
Comparando las isotermas de adsorción del PCF
sobre los carbones activados comerciales, se encontró
que el PCF se adsorbió considerablemente sobre los
carbones de origen bituminoso F-300, MG y F-400 y
levemente sobre los carbones VG, C y CG-700 fabricados
a partir de madera y de cáscara de coco. Esto demostró
que la capacidad de adsorción del carbón activado
depende significativamente de la materia prima que se
usó para prepararlo.
El orden decreciente de la concentración de sitios
ácidos es el siguiente: VG > C > F-400
F-300 > MG >
CG-700 y de la concentración de sitios básicos es: CG-
700 > MG > F-300 > F-400 > VG > C. La oxidación de
los carbones F-300 y MG con HNO
3
aumentó la
concentración de los sitios ácidos y disminuyó la de los
sitios básicos. La explicación de este comportamiento se
basa en que la oxidación del carbón induce la formación
de grupos funcionales conteniendo oxígeno sobre la
superficie del carbón oxidado, estos grupos son ácidos.
Comparando las masas de PCF adsorbido sobre los
carbones F-300 y MG sin oxidar para una concentración
en equilibrio de PCF de 100 mg/L, Q
100
, con las de los
carbones oxidados Ox1, se observó que la oxidación
redujo 26.3 % y 36.6 % la Q
100
del F-300 y del MG,
respectivamente. La disminución en la capacidad de ad-
sorción por la oxidación se debió a que el PCF se adsorbe
principalmente sobre los sitios básicos.
Se concluye que el PCF se adsorbe químicamente
sobre la superficie de los carbones F-300 y MG. Además,
el PCF presente en solución acuosa se puede remover
eficientemente por medio de adsorción sobre carbón
activado de origen bituminoso.
Fig. 3.
Isotermas de adsorción de pentaclorofenol sobre el carbón F-
300 sin oxidar, Ox1 y Ox3. T=25 °C y sin ajuste de pH. Las
líneas representan la isoterma de adsorción de Prausnitz-Radke.
Masa adsorbida de PCF, (mg/g)
0
50
100
150
200
250
0
25
50
75
100
125
150
175
200
MG sin oxidar
MG Ox1
MG Ox3
175
200
250
200
150
100
50
0
Masa adsorbida de PCF (mg/g)
0
25
50
75
100
125
150
Concentración en el equilibrio (mg/L)
Fig. 4.
Isotermas de adsorción de pentaclorofenol sobre el carbón MG
sin oxidar, MG Ox1 y MG Ox3. T=25 °C y sin ajuste de pH.
Las líneas representan la isoterma de adsorción de Prausnitz-
Radke.
M. M. G. Hernández Orta
et al.
144
AGRADECIMIENTOS
Este estudio se realizó gracias al apoyo otorgado por
SIHGO-CONACyT, México, a través del convenio No.
2000-0206022.
REFERENCIAS
Alvarado Rodríguez F. L. (1996). El uso de plaguicidas en la
industria azucarera. Caso San Luis Potosí. Coordinación
de Ecología y Gestión Ambiental. Gobierno del Estado de
San Luis Potosí, México.
Bandosz J. T., Jagiello J. y Schwarz A. J. (1992). Comparison of
methods to assess surface acidic groups on activated
carbons. Anal. Chem. 64, 891-895.
Bernal Jácome L. A. (1999). Adsorción y difusión intraparticular
de zinc(II) en solución acuosa sobre carbón activado. Tesis
de Maestría, Facultad de Ciencias Químicas, UASLP, S.L.P.,
México.
Boehm H. P. (1970). Chemical identification of surface groups.
En:
Advances in catalysis
.
(D. Eley, H. Pines y P. B. Weisz,
Eds.), Academic Press, Nueva York, pp. 179-273.
Boehm H. P. (1994). Some aspects of the surface chemistry of
carbon blacks and other carbons. Carbon 32 , 759-769.
Cheremisinoff P. N. y Cheremisinoff N. P. (1993).
Carbon
adsorption for pollution control
. Prentice Hall, Nueva
Jersey, pp. 20-24.
Guiochon G., Shirazi G. S. y Katti M. A. (1994).
Fundamentals of
preparative and nonlinear chromatography
. Academic
Press, Nueva York, pp. 68-71.
Hernández Orta M. M. G. (2001). Remoción de pentaclorofenol
presente en agua por medio de adsorción sobre carbón
activado, Tesis de Maestría, Facultad de Ingeniería, UASLP,
S.L.P., México.
Jianlong W., Yi Q., Horan N. y Stentiford E. (2000). Bioadsorption
of pentachlorophenol (PCP) from aqueous solution by
activated sludge biomass. Biores. Technol. 75, 157-161.
Kaufman D. D. (1978). Degradation of pentachlorophenol in
soil, and by soil microorganisms. En:
Pentachlorophenol:
chemistry, pharmacology, and environmental toxicology
.
(K. R. Rao, Ed.). Plenum Press, Nueva York, NY, pp. 27-39.
Kuzin I. A. y Strashko B. K. (1996). Preparation of oxidized
carbon and investigation of its ion exchange properties, J.
Appl. Chem. USSR 39, 566-569.
Mollah A. H. y Robinson C. W. (1996). Pentachlorophenol
adsorption and desorption characteristics of granular
activated carbon – 1. Isotherms. Water Res. 30, 2901-2906.
Pittman C. U., He G. R., Wu B. y Gardner S. D. (1997). Chemical
modification of carbon fiber surfaces by nitric acid oxidation
followed by reaction with tetraethylenepentamine. Carbon
35, 317-331.
Radke C. J. y Prausnitz J. M. (1972). Adsorption of organic
solutes from dilute aqueous solution on GAC. Ind. Eng.
Chem. Fund. 11, 445-451.
Slawomir N. (1987). Evaluation of the pH-metric method for the
determination of acidic groups on the surface of oxidized
carbons. Carbon 25, 441-443.
USDHHS (1993).
Toxicological profile for pentachlorophenol
.
U.S. Department of Health & Human Services, Agency for
Toxic Substances and Disease Registry, Atlanta, Georgia.
USEPA (1991). Granular activated carbon treatment. EPA/540/
2-91/024, U. S. Environmental Protection Agency,
Washington, D.C.
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