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INFLUENCIA DE LA RELACIÓN INICIAL DE Fe
3+
/Fe
2+
, EN UN PROCESO DE
BIODESULFURIZACIÓN DE CARBONES EN SUSPENSIÓN
Héctor Alonso PELÁEZ MORALES*, María Consuelo PRADA FONSECA, Gerardo CAICEDO PINEDA,
Claudia Ximena MORENO HERRERA y Marco Antonio MÁRQUEZ GODOY
Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín
*Autor responsable: hapelaez@unal.edu.co
(Recibido mayo 2011, aceptado febrero 2013)
Palabras clave: biolixiviación, bacterias acidóflas, azuFre inorgánico, pirita
RESUMEN
En este estudio se evaluó la in±uencia de la relación inicial de ²e
3+
/Fe
2+
en el proceso
de biodesulFurización de una muestra de carbón. Se utilizó un medio de cultivo em
-
pleando una cepa de
Acidithiobacillus ferrooxidans
con una concentración inicial de
hierro total de 1200 mg/L, variando las proporción ²e
3+
/Fe
2+
entre 80:20, 50:50 y 20:80
respectivamente. Se utilizó un tamaño de partícula pasante de malla 60 (dp<246 µm).
Se analizaron los principales Factores fsicoquímicos que pueden in±uir, con monitoreos
de pH y potencial redox en el líquido lixiviante y mediciones de concentración de hierro
total, Fe
3+
y Fe
2+
en solución. De acuerdo con los resultados obtenidos, los experimen-
tos 50:50 y 20:80 mostraron mayor efciencia, presentando los mayores porcentajes
de biolixiviación de hierro en solución, alcanzando 65% y 74% respectivamente de
oxidación de pirita después de 14 días de proceso.
Key words: bioleaching, acidophilic bacteria, inorganic sulFur, pyrite
ABSTRACT
In this study there was evaluated the in±uence oF the initial relation oF ²e
3+
/Fe
2+
in a
process oF biodesulFurization oF a coal sample. We used a culture medium and a strain
oF
Acidithiobacillus ferrooxidans
, with an initial concentration oF 1200 mg/L total iron,
varying the ²e
3+
/Fe
2+
ratio between 80:20, 50:50 and 20:80. It was used a particle size
minus 60 mesh (dp<246 µm). The process was monitored by periodic measures oF pH,
redox potential, concentration oF total iron, ²e
3+
and Fe2
+
in solution. According to the
obtained results, experiments using proportions ²e
3+
/Fe
2+
oF 50:50 and 20:80 showed
better eFfciency, presenting the highest percentages oF bioleaching oF iron in solution,
reaching respectively 65% and 74% oF oxidation oF pyrite, aFter 14 days oF process.
Rev. Int. Contam. Ambie. 29 (2) 211-217, 2013
212
H.A. Peláez
et al.
INTRODUCCIÓN
La primera crisis petrolera de los años 70 de-
mostró que sigue siendo importante el carbón como
fuente de energía. La reserva de este material es, sin
duda, la más abundante de todos los combustibles
sólidos y, aunque hay limitaciones ambientales cada
vez más estrictas para su utilización, las previsiones
apuntan a su consumo (Bauer 1986).
El principal problema asociado la combustión
de carbón, bajo cualquier concepto, es la protección
del ambiente, ya que se emiten gases contaminantes
provenientes de la presencia de otros minerales
asociados como la pirita (FeS
2
) (Eligwe 1988). El
dióxido de azufre es el gas emitido más importante
y junto con los óxidos de nitrógeno son los princi
-
pales responsables de la lluvia ácida. Es por esta
razón que muchos de los proyectos de investigación
actuales están dirigidos al desarrollo y mejora de
métodos para remover el azufre del carbón por
diferentes vías (físicas, químicas o biológicas)
(Blázquez 1993).
El proceso de biodesulfurización es autorregene
-
rador del catalizador, y con base en el mecanismo de
reacción implícito en el proceso, también se genera
el medio ácido necesario para que se lleve a cabo
la reacción (Rawlings 2005, Sand y Gehrke 2006);
además podría proporcionar rutas alternativas para el
proceso de conversión y limpieza del carbón (desul-
furación) (Malik
et al.
2001).
El azufre en el carbón está presente en formas
orgánicas e inorgánicas. Las formas orgánicas pueden
ser alifáticas y aromáticas o heterocíclicas. El azufre
inorgánico en el carbón está predominantemente en
forma de sulfuros metálicos y sulfatos (SO
4
2–
). La
pirita (FeS
2
) es generalmente la forma inorgánica de
azufre más abundante en el carbón.
Los cristales de pirita están distribuidos al azar
en toda la matriz del carbón (Malik
et al
. 2001) y se
oxidan químicamente en soluciones acuosas cuando
se expone al ión férrico (Ec. 1), al ácido y al oxígeno,
que están presentes de manera natural en el medio y
que son regenerados continuamente por las bacterias
oxidantes de hierro/azufre (Ec. 2) (Ossa
et al
. 2005,
Akcil
et al
. 2007).
FeS
2
+14Fe
3+
+8H
2
O
15Fe
2+
+ 2SO4
2–
+ 16H
+
(1)
2FeSO
4
+1/2 O
2
+ H
2
SO
4
Bacterias
Fe
2
(SO
4
)
3
+ H
2
O
(2)
S
0
+ 3/2 O
2
+ H
2
O
Bacterias
H
2
SO
4
(3)
FeS
2
+ 7Fe
2
(SO4)
3
+ 8H
2
O
15FeSO
4
+ 8H
2
SO
4
(4)
Las bacterias acidóFlas del género
Acidithioba-
cillus
como A.
ferrooxidans
crecen autotróFcamente
pues obtienen energía a partir de la oxidación del
hierro ferroso o azufre elemental o compuestos de
azufre reducidos (Kelly
et al
. 2000).
La oxidación biológica de la pirita ocurre directa
o indirectamente. El mecanismo directo ocurre con
la adhesión de células bacterianas a los granos de
pirita, donde las células oxidan biológicamente el
azufre o el hierro (Ec. 1). En el mecanismo indirecto
las células oxidan el hierro ferroso soluble a hierro
férrico (Ec. 2), que a su vez oxida químicamente a la
pirita (Brock
et al
. 1998, Silverman
et al
. 2001).
Yu
et al
. (2001) demostraron que el mecanismo directo
domina durante el período de adaptación bacteriana
(es decir, fase de latencia o lag). Sin embargo, en
general se concluyó que el mecanismo indirecto es
el más probable (Sand
et al
. 2001, Rohwerder
et al.
2003). Sand
et al
. (2001) indicaron que aunque la oxi
-
dación microbiana de la pirita opera indirectamente
a través de hierro férrico, las bacterias son realmente
Fjadas a las superFcies minerales.
En el presente trabajo se hizo un estudio de bio
-
desulfurización de carbones en suspensión, introdu
-
ciendo cantidades de Fe
2+
y Fe
3+
iniciales, partiendo
de la hipótesis de que los iones férricos o los protones
son los únicos agentes (químicos) que disuelven al
sulfuro. El papel de las bacterias es regenerar los
iones férricos o los protones y concentrarlos en la
interfase mineral/agua o mineral/célula bacteriana
para favorecer y aumentar la degradación del mineral
(Ballester 2005).
MATERIALES Y MÉTODOS
Minerales
El carbón utilizado fue muestreado del manto
k de la mina La Guacamaya ubicada en el muni
-
cipio de Puerto Libertador, en el departamento de
Córdoba, Colombia. Después de varios cuarteos
sucesivos, se redujo el tamaño de partícula me
-
diante trituradora de mandíbula, el Fn de preparar
las muestras para el proceso de biolixiviación. El
tamaño escogido es pasante de malla 60 de acuerdo
con la serie Tyler de tamices (dp<246 µm) (Caicedo
et al
. 2010).
Bacterias y medios de cultivo
Se eligió un cultivo
Acidithiobacillus ferrooxi-
BIODESULFURIZACIÓN DE CARBONES EN SUSPENSIÓN
213
dans
,
conservada a 4 ºC ± 1 ºC en el cepario del
Labo-
ratorio de Biomineralogía de la Universidad Nacional
de Colombia, Sede Medellín, las cuales tuvieron
una
adaptación previa a un proceso de biodesulfurización
de carbón, bajo un protocolo preestablecido (Caicedo
2008). Esta cepa se cultivó en medio de cloruros que
contenía (g/L): 0.5 NH
4
Cl, 0.5 MgCl
2
, 0.5 KH
2
PO
4
y 0.01 Ca(NO
3
)
2
.
Procedimientos experimentales
Las soluciones, el carbón y el sulfato férrico
fueron esterilizados en autoclave a 120 ºC y 1.36
atm durante 20 minutos antes de la inoculación. El
sulfato ferroso se esterilizó en Fltro por vacío. El
pH inicial del medio se ajustó a 1.4 con H
2
SO
4
1N
con el Fn de reducir precipitaciones de hierro. Los
frascos se incubaron en un agitador orbital a 180
rpm y 30 ºC. Cada ensayo se realizó por duplicado
y se preparó un control negativo en las pruebas
con ausencia de bacterias con medio nutritivo en
condiciones estériles.
Los experimentos de biolixiviación se llevaron a
cabo en Erlenmeyer de 500 mL que contenían 170 mL
del medio basal, 20 mL de inóculo y 10% m/v de
carbón con un tamaño de partícula
pasante de malla
60 (dp < 246 µm).
Los tres ensayos se hicieron con una concen-
tración inicial de hierro total de 1200 mg/L con las
siguientes relaciones ±e
3+
/Fe
2+
, a partir de adición de
sulfato férrico y ferroso respectivamente:
E1: 80:20
E2: 50:50
E3: 20:80
Procedimientos analíticos
Se realizaron monitoreos cada dos días de pH y
potencial redox (Eh) mediante el uso de un equipo
Schott Handylab, con un electrodo de Eh de Ag/
AgCl y un electrodo de pH con electrolito de KCl.
El crecimiento de los cultivos bacterianos en solu-
ción se midió periódicamente mediante el recuento
de células en cámara de Neubaüer (profundidad de
0.100 mm y 1 / 0.0025 mm
2
de área) y microscopio
marca Olympicus.
Cinco mL del sobrenadante fueron retirados pe
-
riódicamente de los frascos y centrifugados a 3000
rpm durante 15 minutos para separar el material
sólido y así determinar las concentraciones de iones
en la solución. Las concentraciones de hierro se
determinaron mediante espectrofotometría UV
visible en un espectrofotómetro marca Genesys UV 10
bajo la norma estándar 3500-±e B.
Al Fnalizar los ensayos se midieron las formas de
azufre presentes en el carbón mediante los métodos
ASTM D 4239 y ASTM D 2492-02.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Medidas de pH y Eh
La
fgura 1
muestra el comportamiento del pH
durante el cultivo de la cepa de
A. ferrooxidans
con sus respectivas réplicas con una duración de
12 días. Cada ensayo empezó con un pH alrededor
de 1.50 para reducir al mínimo los efectos perju
-
diciales de la precipitación del hierro, mostrando
posteriormente una caída de valores hasta alrededor
de 1.14, característico de este tipo de microorga
-
nismos, favoreciendo una mejor lixiviación del
azufre oxidado como sulfato (Cara
et al
. 2005). Se
observó una tendencia de disminución en el pH en
presencia de bacterias en contraste con las pruebas
testigo, aunque estos presentaron una pequeña
disminución en el pH debido a la hidrólisis del ión
Fe
3+
(Daoud
et al
. 2006). El aumento de la acidez
puede deberse a la oxidación de la pirita (Ec. 4)
(Deveci
et al
. 2004).
Según los planteamientos de varios autores respecto
al proceso de biooxidación (Prayuenyong 2002, Balles
-
ter
et al
. 2005, Daoud
et al
. 2006,) se sugiere que en
la oxidación de la pirita (Ecs. 3 y 4) se genera ácido,
que compensa el consumo en la oxidación de hierro,
mostrado en la disminución de este valor, en los días
posteriores para los bioensayos y los testigos abióticos.
1.4
1.3
pH
1.2
1.1
05
Tiempo (d)
10
15
C1
C2
C3
E1
E2
E3
Fig. 1.
Comportamiento del pH
en función del tiempo para los
diferentes ensayos de experimentación (relación ±e
3–
/
Fe
2–
). C1: testigo de E1, E1: 80:20, C2: testigo de E2,
E2: 50:50, C3: testigo de E3, E3: 20:80
214
H.A. Peláez
et al.
También se puede decir que las variaciones en
los valores, específcamente el aumento en el pH
(aunque no es tan marcado) en algunos días de pro
-
ceso, posiblemente Fuera debido a la oxidación de
iones Ferrosos a Férricos por parte de la bacteria, que
implica un consumo de ácido (Caicedo
et al
. 2010).
En la
fgura 2
se muestra el comportamiento del
potencial de oxido-reducción (Eh) con el tiempo
para la cepa pura de
A. ferrooxidans
. En general se
alcanzaron valores en el intervalo de 550 - 680 mV
durante el proceso con tendencia a estabilizarse, en
contraste con los valores de los testigos negativos
que se mostraron por debajo de 450 mV, lo que in
-
dica que no hubo actividad oxidativa en ausencia de
bacterias. Según Meruane (2002), el valor del Eh se
encuentra defnido por los pares de óxido-reducción
que interactúan sobre el electrodo de platino.
En el caso de los sistemas de biolixiviación, los
pares de interés son: el par Ferroso/Férrico y el par
oxígeno (disuelto)/agua. Sin embargo, la presencia
de hierro en solución, hace que el eFecto del oxígeno
no sea considerable y para eFectos prácticos se con
-
sidera que el Eh está Fundamentalmente defnido por
el cambio en la relación Fe
3+
/Fe
2+
(Meruane 2002).
Esto explica por qué los ensayos 1 y 2 empezaron
con valores mayores que los ensayos sin adición de
estos iones (400 – 430 mV). Cuando esta relación
aumenta en la solución, Favorece a la oxidación de
la pirita (Rossi 1993, Malik
et al
. 2001, Ackil et al.
2007, Cardona
et al
. 2009).
Se podría decir que estos valores indican que las
bacterias presentaron una buena actividad oxidativa,
lo que es acorde con lo reportado por otros autores
(Eligwe 1988, Rossi1993).
Ossa y Márquez (2005) anotan que en un proceso
de biooxidación los valores altos de potencial redox
se pueden deber a la presencia de
A. ferrooxidans
.
La caída notoria del Eh en el día 2, especialmente
en el ensayo 1, se debe a que inicialmente este valor
empezó entre 450-550 mV por la adición de iones
Férricos al medio de cultivo, pero generalmente este
valor empieza alrededor de 400-430 mV (Bauer 1986,
Eligwe 1988, Ackil
et al
. 2007, Caicedo
et al
. 2010)
para este tipo de procesos. En nuestro caso, después
de la disminución este valor se empieza a incrementar
a medida que las bacterias oxidan los iones Ferrosos a
iones Férricos (Ackil
et al
. 2007, Cardona
et al
. 2009).
Concentración celular
También se evaluó el comportamiento de la con-
centración bacteriana en Función del tiempo como se
muestra en la
fgura 3
. Se observó un crecimiento en
la concentración a medida que avanzaban los proce
-
sos, tendiendo a estabilizarse a partir del día 6, lo que
va a la par con en el desarrollo que tuvo el proceso.
Una hipótesis que surge a partir de estos resul
-
tados, es que una menor área de ataque disponible
para que ocurra la oxidación incide en la disminución
de la concentración bacteriana, al presentarse bajas
cantidades de Fe
2+
, necesario para el metabolismo
de
A. ferrooxidans
, lo que ocasiona un descenso en
la población en algunas etapas del proceso (días 4,
8 y 12) (Cardona
et al
. 2009). Esta disminución, ob-
servada durante los primeros cuatro días, también es
debida a un atrapamiento o adhesión de las bacterias
al mineral (Caicedo
et al
. 2011).
Eh (mV)
350
400
450
500
550
600
650
700
024681
01
21
41
6
Tiempo (d)
C1
C2
C3
E1
E2
E3
Fig. 2.
Comportamiento del Eh en Función del tiempo para los
diFerentes ensayos de experimentación (relación ±e
3–
/
Fe
2–
). C1: testigo de E1, E1: 80:20, C2: testigo de E2,
E2: 50:50, C3: testigo de E3, E3: 20:80
log (células/mL)
8.90
8.70
8.50
8.30
8.10
7.90
7.70
7.50
7.30
024681
01
21
41
6
Tiempo (d)
E1
E2
E3
Fig. 3.
Crecimiento de
A. ferrooxidans
en solución en Función
del tiempo para los diFerentes ensayos de experimenta
-
ción (relación Fe
3–
/Fe
2–
). E1: 80:20, E2: 50:50, E3: 20:80
BIODESULFURIZACIÓN DE CARBONES EN SUSPENSIÓN
215
Concentración de Fe en solución y cambio de la
relación Fe
3+
/Fe
2+
durante la biolixiviación
La
fgura 4
muestra el hierro lixiviado del carbón
en función del tiempo. Para dos de los tres bioensayos
(E2 y E3), aumentó signiFcativamente la cantidad de
hierro lixiviado, sin embargo para el primer bioensa
-
yo (E1), el valor disminuyó, indicando precipitación
de hierro. De acuerdo con estudios realizados sobre
oxidación del ión ferroso, altas concentraciones de
hierro férrico en solución (relación ±e
3-
/Fe
2–
: 80:20),
inciden en la disminución de la actividad bacteriana,
al encontrarse baja concentración de ión ferroso,
generándose sólo oxidación por acción férrica y pre
-
sentando así precipitación de hierro (Meruane 2002).
Para los dos bioensayos que presentan lixiviación,
se permite deducir oxidación de pirita. Se obtuvo una
mayor lixiviación de hierro a los 14 días de proceso
y el bioensayo que mostró mayor biolixiviación de
hierro fue E2, mostrando mayor eFciencia en el
proceso, como ya se mencionó.
Los controles abióticos no presentaron mayor
cambio por lo tanto no se muestran en la
fgura 4
.
La
fgura 5
muestra la relación Fe
3+
/Fe
2+
, para
los tres bioensayos realizados. En el bioensayo E3
puede observarse que la relación férrico/ferroso fue
baja, con un valor al Fnal del proceso de 318 mg ±e
3+
/
mg ±e
2+
, debida a una concentración baja de iones
férricos en solución, a pesar de que la concentración
de hierro total aumentase; mientras que en los otros
bioensayos, se alcanzaron valores de 537 mg ±e
3+
/
mg ±e
2+
y 419 mg ±e
3+
/mg ±e
2+
para E2 y E1 res-
pectivamente, debido a que las concentraciones de
hierro ferroso arrojaron valores por debajo de 200
ppm a partir de las mediciones realizadas en el día
8 de haber iniciado el proceso y la concentración de
hierro total aumentase para E2.
En el caso de E1, la relación férrico/ferroso llegó
a un valor máximo a los 14 días del proceso (537 mg
Fe
3+
/mg ±e
2+
), producto de una disminución consi-
derable en la concentración de hierro ferroso (<100
ppm) y el aumento en la concentración de hierro total.
Esto es consistente con los valores altos de Eh para
este ensayo (
fg. 2
), que indican mayor cambio en la
relación Fe
3+
/Fe
2+
.
Los testigos de cada bioensayo mostraron rela
-
ciones férrico/ferroso menores a 3.2, debido a que
la concentración de hierro ferroso no disminuyó
notoriamente, así como no hubo mayor aumento
en el hierro total (
Fig. 5
), lo cual indica que no hay
oxidación signiFcativa en ausencia de bacterias.
Se puede observar también que a partir del día 8
la relación Fe
3+/
Fe
2+
empieza a aumentar, como se
ve en la
fgura 4
donde también es evidente como
se eleva la concentración de hierro lixiviado, lo que
explica el aumento en esta relación.
Formas de azufre en el carbón después del proceso
Las mediciones de azufre total y las formas de
azufre en el carbón original crudo y en los carbones
después del proceso de biodesulfurización se mues
-
tran en el
cuadro I
.
Para las muestras inoculadas, hay una reducción
en el contenido total de azufre importante en la
eFciencia del proceso, como se reporta también en
ΔFe lixiviado (ppm)
1600
1100
600
100
-400
-900
02
4
Tiempo (d)
E1
E2
E3
68
10
12
14
16
Fig. 4.
Comportamiento del hierro lixiviado del carbón en
función del tiempo para los diferentes ensayos de expe
-
rimentación (relación Fe
3–
/Fe
2–
). E1: 80:20, E2: 50:50,
E3: 20:80
Fe(III)/Fe(II)
02
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
–50
46 81
01
21
4
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Tiempo (d)
C1
C2
C3
E1
E2
E3
Fig. 5.
Relación Fe
3+/
Fe
2+
en el líquido lixiviante en función del
tiempo para los diferentes ensayos de experimentación
(relación Fe
3–
/Fe
2–
). E1: 80:20, E2: 50:50, E3: 20:80
216
H.A. Peláez
et al.
estudios realizados sobre procesos de biooxidación
de pirita (Bauer 1986, Malik
et al
. 2001, Cara
et al
.
2005, Ackil
et al
. 2007).
Los bioensayos E2 y E3 presentan las mayores
tasas de oxidación de azufre pirítico con un 65% y 74%
respectivamente. Esta característica está relacionada
con la forma de la pirita, ya que es bien sabido que la
pirita framboidal (
Fig. 6
) es más susceptible a la oxi
-
dación que otras formas, porque la superFcie expuesta
es mayor (Chaudhuri
et al
. 1992, Tripathy
et al
. 1998).
Puede verse en el
cuadro I
que el contenido de
azufre orgánico no presenta cambios signiFcativos
para las muestras de carbón en bruto y biodesulfuri
-
zadas ya que los microrganismos se enfocan más en
el azufre inorgánico. Esto signiFca que los microor
-
ganismos utilizados para el proceso no son capaces de
interactuar con la fracción orgánica de los carbones
como sí lo hacen cepas de
Rhodococcus rhodochrous
(Achrya
et al
. 2001, Gleisner
et al
. 2006).
Por último, la concentración de sulfatos para los
carbones es sustancialmente mayor a la encontrada
inicialmente con
A. ferrooxidans
, lo cual se debe
principalmente a que se agregó iones de hierro al
medio de cultivo en forma de sulfatos. Así la concen
-
tración de sulfatos sería mayor en el medio, ya que
las bacterias también lo producen y el carbón adsorbe
estos sulfatos (Cardona
et al
. 2009).
CONCLUSIONES
Los ensayos E2 y E3 presentaron mayor eFciencia,
ya que tuvieron los mayores porcentajes de biolixivia
-
ción de hierro en solución, alcanzando 65% y 74%
respectivamente de oxidación de pirita después de 14
días de proceso. Esto quiere decir que la adición de
sulfatos férrico y ferroso al medio en proporciones
50-50% y 20-80% respecto a la concentración inicial
de hierro total mejora notablemente la oxidación de la
pirita. Esto constituye la base principal de este estudio,
y conFrma que es una buena opción para la hora de
implementar un proceso de este tipo.
No se recomienda utilizar en el proceso altas
concentraciones de iones férricos, pues estos inci
-
den en la disminución de la actividad bacteriana y
disminuye la eFciencia del mismo, como se observó
en el ensayo 1.
AGRADECIMIENTOS
A la empresa Argos S.A y COLCIENCIAS, que
Fnanciaron el proyecto. Al Laboratorio de Carbones
y al Laboratorio de Biomineralogía de la Universidad
Nacional de Colombia, Sede Medellín, donde se llevó
a cabo la investigación.
REFERENCIAS
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Fig. 6.
Pirita en forma framboidal (Caicedo
et al
. 2011)
CUADRO I.
FORMAS DE AZUFRE PRESENTES EN
EL CARBÓN DESPUÉS DE 14 DÍAS DEL
PROCESO DE BIODESULFURIZACIÓN. E1:
80% SULFATO FÉRRICO, E2: 50% AMBOS
SULFATOS, E3: 20% SULFATO FÉRRICO. S
PY
:
AZUFRE PIRÍTICO. O
X
. DE py: OXIDACIÓN
DE PIRITA
S
SO4
(%)
0.14
0.23
0.24
0.32
0.32
0.48
0.28
S
PY
(%)
1.06
0.56
0.43
0.63
0.38
0.67
0.28
S
Org.
(%)
1.10
1.10
1.10
1.01
1.10
0.96
1.11
S
total
(%)
2.34
1.93
1.82
1.96
2.04
2.01
2
Ox. de py (%) 0
47.33 59.2
40.60 64.68 36.72 73.9
BIODESULFURIZACIÓN DE CARBONES EN SUSPENSIÓN
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