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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambie. 29 (2) 201-210, 2013
EVALUACIÓN DE LA POTENCIALIDAD DE UNA CHABASITA NATURAL MEXICANA EN LA
REMOCIÓN DE PLOMO EN AGUA
Juana ALVARADO IBARRA
1
, Mérida SOTELO LERMA
1*
, Diana MEZA FIGUEROA
2
,
Marisela MAUBERT FRANCO
3
y Francisco Abraham PAZ MORENO
2
1
Departamento de Investigación en Polímeros y Materiales, Universidad de Sonora
2
Departamento de Geología, Universidad de Sonora
3
UAM-Azcapotzalco, Universidad Autónoma Metropolitana
*Autora responsable: msotelo@guaymas.uson.mx
(Recibido marzo 2012, aceptado febrero 2013)
Palabras clave: zeolita, intercambio iónico, metales pesados
RESUMEN
En este trabajo se presenta la caracterización de una zeolita natural de tipo chabasita
del yacimiento mexicano La Palma, Divisaderos, Sonora y se evalúa su potencialidad
para su uso como material de intercambio iónico para remover plomo en agua. La
chabasita se caracterizó con DRX, ICP-OES, ICP-MS, EDX, MEB, BET y TG/TGD.
Los resultados indican presencia de Ba (1930 ppm) y Sr (1220 ppm) característicos
de fases enriquecidas en aluminio. Se propone un tratamiento de modiFcación de la
chabasita usando soluciones de NaOH (0.1 M) y NH
4
NO
3
(1 M). Se obtuvo la cinética
de remoción de plomo tanto en la zeolita natural como en sus formas químicamente
modiFcadas, utilizando el proceso de intercambio iónico en reactores en lote. Los
resultados muestran lo innecesario de la homoionización de la zeolita natural para la
remoción de plomo, por lo que se obtuvo la concentración en el equilibrio de la zeolita
sin modiFcar, para trazar la isoterma de adsorción, misma que se ajustó al modelo de
Langmuir. La isoterma de Langmuir presenta un buen ajuste de los resultados en el
equilibrio (R
2
= 0.92), lo que demuestra que la zeolita natural estudiada, en su forma
natural, contiene los cationes de intercambio necesarios (Ca
+2
, Mg
2+
y Na
+
) para
utilizarse potencialmente como un material adsorbente/intercambiador iónico para
tratamiento de aguas impactadas por plomo.
Key words: zeolite, ion exchange, heavy metals
ABSTRACT
The intention of this paper is to present the characterization of a natural zeolite,
chabazite-type, from the Mexican reservoir La Palma, at Divisaderos, Sonora, where
their potential use as ion exchange material to remove lead in water is assessed. The
chabazite was characterized through XRD, ICP-OES, ICP-MS, EDX, BET and TG/
TGD. The results indicate the presence of Ba (1930 ppm) and Sr (1220 ppm), which are
characteristic of aluminum rich phases. A chabazite modiFcation treatment is proposed
by using solutions of NaOH (0.1 M) and NH
4
NO
3
(1 M). The lead removal kinetics
both in natural zeolite as in their chemically modiFed forms was obtained by using
J. Alvarado Ibarra
et al.
202
the ion exchange process in a batch reactor. The results show how unnecessary natural
zeolite homoionization is for the removal of lead, thereby obtaining the equilibrium
concentration of unmodiFed zeolite for plotting the adsorption isotherm, which was
adjusted to Langmuir model. The Langmuir isotherm has a good Ft of the results at
equilibrium (R
2
= 0.92), which demonstrates that natural zeolites studied, in its natural
form, contains exchangeable cations required (Ca
+2
, Mg
2+
and Na
+
) for potentially be
used as an adsorbent material/ion exchanger for water treatment impacted by lead.
INTRODUCCIÓN
Las zeolitas se componen principalmente de es-
tructuras tetraédricas tridimensionales de AlO
4
y SiO
4
.
Éstas se interconectan por compartición de oxígenos
formando canales y cavidades bien deFnidos, con
-
teniendo moléculas de agua, cationes álcali (sodio,
potasio, litio y cesio) y cationes alcalino térreos (calcio,
estroncio, bario y magnesio) (Tschernich 1992).
Las zeolitas han sido estudiadas intensamente
desde la década de los años 50 del siglo pasado
(Masters y Maschmeyer 2011, Mumpton 1999), si
bien la atención se ha centrado en las zeolitas sinté-
ticas, es a partir del descubrimiento de yacimientos
a cielo abierto que el interés por las de origen natural
se ha incrementado y han tenido un signiFcativo
rol industrial (Mondale
et al.
1995). Los usos más
importantes de las zeolitas incluyen suavización
de aguas, procesos de reFnación de petróleo y gas,
minería, tratamiento de aguas residuales, productos
de papel, entre otros. La chabasita es una de las 41
zeolitas naturales que ha sido identiFcada y que se
encuentra con la pureza y disponibilidad para consi-
derarse fuente natural explotable con varios cientos
de miles de toneladas en minas de Estados Unidos,
Japón, Italia, Bulgaria, Cuba, Yugoslavia, Alemania,
Corea y México (Bosch y Shifter 1997, Cincotti
et al.
2001). La chabasita es una de las primeras zeolitas
en ser ampliamente estudiada por sus aplicaciones
industriales y tecnológicas y principalmente por
su capacidad para remover, en soluciones acuosas,
cationes metálicos como el cadmio, el cobre, el
níquel, el plomo, el cromo y el zinc (Pansini
et al.
1991, Zamzow y Murphy 1992, Kesraoui-Ouki
et
al.
1994, Torraca
et al.
1998), así como el arsénico
(Lievremont
et al.
2003, Payne y Abdel-Fattah 2005,
Ruggieri
et al.
2008, Mejia-Zamudio
et al.
2009),
el amonio (Juan
et al.
2009) y cationes radiactivos
(Gennaro
et al.
2003).
La presencia de plomo en el agua es un gran
problema de riesgo ambiental y de salud, debido a
su conocida toxicidad y porque su disposición es un
verdadero problema. El plomo, aún en cantidades
traza es muy tóxico y al ser dispuesto en cuerpos de
agua causa serios trastornos a la salud humana y al
ambiente (Trgo
et al.
2006), su presencia en el aire, el
agua y el suelo está relacionada con problemas diges-
tivos y respiratorios, así como con daño neurológico
(Shinya
et al.
2006). La presencia de este tóxico en
el ambiente crece año con año, no es biodegradable y
tiende a acumularse en los organismos vivos (Petrus
y Warchol 2003). Por lo anterior, en México se han
establecido límites máximos permisibles de plomo,
tanto en agua para consumo humano como en aguas
residuales (
Cuadro I
). Sin embargo, Cajuste
et al.
(1991) y Vázquez-Alarcón
et al.
(2001) han determi-
nado que existen concentraciones de metales tóxicos
superando lo permitido por la normatividad nacional
que regula el uso de agua residual con Fnes agrícolas.
Existen métodos para remover metales potencialmen-
te tóxicos disueltos en agua y suelo, estos incluyen
intercambio iónico, precipitación, Ftoextracción,
ultraFltración, ósmosis inversa, bioadsorción y electro
-
diálisis (Cañizares-Vilanueva 2000, Leyva-Ramos
et
al.
2001, Bernal
et al.
2007). Los esfuerzos recientes se
centran en la búsqueda de alternativas ambientalmente
amigables y factibles económicamente (Rozic
et al.
2000). En este contexto, el uso de zeolitas naturales
para remover metales parece tener potencialidad de-
bido a sus ventajas y a su peculiaridad sobre algunas
resinas de intercambio iónico convencionales y cos-
tosas (Kesraoui-Ouki y Kavanagh 1997, Inglezakis
et
al.
2001, Demir
et al.
2002).
El número de estudios reportados con el uso de
zeolitas naturales provenientes de la República Mexi-
cana es amplio, está representado por varios grupos
CUADRO I.
LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES DE CON-
CENTRACIÓN DE PLOMO EN AGUA
Norma OFcial Mexicana
Límite de plomo (mg/L)
NOM-201-SSA1-2002
0.01
NOM-127-SSA1-1994
0.025
NOM-001-SEMARNAT-1996
0.2-10*
NOM-002-SEMARNAT-1996
2 (Instantáneo)
*Depende del tipo de cuerpo receptor
REMOCIÓN DE PLOMO CON CHABASITA
203
de investigación que han manifestado un gran interés
en la caracterización y el estudio del intercambio ió-
nico y adsorción de varios yacimientos de diferentes
tipos de zeolitas naturales en las últimas décadas
(Hernández-Huesca
et al.
1999, Vaca
et al.
2001,
Bosso y Enzweiler 2002, Englert y Rubio 2005, Díaz-
Nava
et al.
2005, Llanes-Monter
et al.
2007, Dávila
et
al.
2008, Leyva-Ramos
et al.
2010, Jiménez-Cedillo
et al.
2011). Asimismo, dada la importancia que re-
presentan estos materiales, se han realizado algunos
estudios por investigadores extranjeros (Mumpton
1973, Cochemé
et al.
1996, Ostrooumov
et al.
2012),
por lo que el presente estudio realizado con una cha-
basita mexicana relativamente poco estudiada y con
un enfoque a la remediación ambiental, puede ser de
gran importancia para la región.
MATERIALES Y MÉTODOS
Preparación de las muestras
La zeolita natural, designada en este trabajo como
MXZ, se homogeneizó triturándola y tamizándola
hasta obtener un tamaño de partícula ≤ 425 µm (60
mesh Tyler
TM
), se lavó con agua bidestilada y se secó
en una mufa a 100 ºC durante 24 horas, obteniendo
un polvo de color café claro. La zeolita natural se tra-
tó químicamente con NaOH (Spectrum chemical) y
NH
4
NO
3
(Productos Químicos Monterrey, PQM). Se
suspendieron 50 g de MXZ en 1000 mL de una solu-
ción de NaOH 0.1 M o de NH
4
NO
3
1 M. Las mezclas
se calentaron a 40 ºC y se agitaron a 100 rpm durante
24 horas en un equipo Reciprocal Shaking Water
Baths, modelo 25. Concluido ese tiempo las mezclas
se separaron por decantación y se lavaron varias veces
con agua desionizada para eliminar residuos de NaOH
y NH
4
NO
3
, lo cual fue probado usando papel pH.
Posteriormente se secaron en una estuFa a 100 ºC. Las
zeolitas modi±cadas se identi±caron como MXZNa
y MXZNH, respectivamente. Los experimentos de
intercambio iónico en lote se realizaron con una solu-
ción preparada con Pb(CH
3
COO)
2
•3H
2
O (PQM). La
experimentación se realizó con la muestra de zeolita
en su estado natural, identi±cada como MXZ y con
sus Formas químicamente modi±cadas.
Técnicas de caracterización
La zeolita natural, MXZ, se caracterizó mediante
las siguientes técnicas:
-Difracción de rayos X (DRX), utilizando un
equipo Bruker, D8 Advance, completamente auto-
matizado, empleando la línea CuKa(λ=1.542 Å) en
un intervalo de barrido de 10º - 70º (2θ).
-Microscopía electrónica de barrido (MEB), equi-
po empleado: JEOL JSM-5410LV; cada una de las
muestras se colocó directamente en un portamuestras
de aluminio con cinta de carbón doble adhesiva, se re-
cubrieron con oro en atmósfera de argón para observar
la morfología y no se recubrieron cuando se analizó la
composición por energía dispersiva de rayos X (EDX).
-Termogravimetría, la estabilidad térmica se
determinó en un equipo DSC-TGA SDT 2960 TA,
en el cual se utilizó una combinación de curvas de
termogravimetría (TG) y termogravimetría dife-
rencial (TGD) en un intervalo de temperaturas de
30º - 1000 ºC con un fujo de aire de 23 mL/min
con
una razón de calentamiento de 10 ºC/min.
-El estudio de la textura de las muestras como
el área especí±ca se evaluó mediante el método
de adsorción de gas nitrógeno, usando un equipo
automatizado Belsorp Max Instrument Bel Japan
Inc., empleando el método Brunauer-Emmett-Teller
(BET); y la distribución de tamaño de poros por el
método de Barrett-Joyner-Halenda (BJH). Los vo-
lúmenes totales de poros se calcularon a partir de la
cantidad de nitrógeno adsorbido a la presión relativa
(P/P
0
) de 0.97 (Hernández
et al.
2005). Para este
análisis, de manera previa las muestras se calentaron
a 200 ºC durante 24 horas al vacío.
-El análisis químico de los elementos mayores
y trazas de MXZ se determinó mediante espectros-
copía de emisión óptica acoplada inductivamente a
plasma (ICP-OES) y espectrometría de masas con
fuente de plasma acoplada inductivamente (ICP-MS),
respectivamente, utilizando los servicios del labo-
ratorio comercial ALS Laboratory Group Chemex
(2012), acreditado bajo los requerimientos de ISO/
IEC 17025:2005.
En los
cuadros II
,
III
y
IV
se reportan las prin-
cipales propiedades físicas y químicas obtenidas.
Remoción de plomo
Los experimentos en lote se realizaron en ma-
traces Erlenmeyer (50mL) con las muestras MXZ,
MXZNa y MXZNH. En los estudios de cinética, la
suspensión del sistema (1g de zeolita + 30 mL de
solución de plomo [1g/L]) se agitó en un Reciprocal
Shaking Water Baths, modelo 25, por periodos de
tiempo de 10 a 600 minutos a una velocidad de 100
rpm y una temperatura de 25 ºC.
La remoción de plomo (
q
) expresada como remo-
ción de plomo por unidad de masa de MXZ, MXZNa
y MXZNH, fue calculada de acuerdo con la ecuación
(1), donde
C
0
es la concentración de plomo inicial
(meqPb/L),
C
f
es la concentración ±nal de plomo
(meqPb/L),
m
es la masa de la zeolita MXZ (g) y
J. Alvarado Ibarra
et al.
204
V
es el volumen en litros (L) (Orozco 1989). Los
resultados obtenidos son los valores promedio de
pruebas realizadas por duplicado.
q
=
C
0
C
f
m V
(1)
Las isotermas de remoción de plomo para MXZ
fueron medidas usando un procedimiento similar
durante 500 minutos (tiempo sufciente para lo
-
grar el equilibrio) y variando la concentración de
inicio para el plomo (100-2500 mgL
–1
). Después,
las muestras se fltraron utilizando papel Whatman
número 1 y se determinó la concentración de plomo
por espectroscopía de absorción atómica (EAA),
método de flama aire-acetileno, utilizando un
equipo Perkin Elmer modelo 3110. Los resultados
reportados son los valores promedio de pruebas
por duplicado.
Se usó el modelo de Langmuir, dado en la ecua-
ción (2) para describir la isoterma obtenida (Lang-
muir 1918, Englert y Rubio 2005).
q
=
q
max
KC
f
1+KC
f
(2)
Los parámetros
q
max
(meq Pb/L) y
K
(l meq/Pb)
son para adsorción en monocapa a altas concentra-
ciones y la constante de equilibrio respectivamente.
El ajuste de los datos se hizo por la linealización de
la ecuación (2), presentada en la ecuación (3).
C
f / q
=
+
1
Kq
max
1
C
f
q
max
(3)
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización
El difractograma de rayos X obtenido para la
muestra MXZ se muestra en la
fgura 1
. Las especies
cristalinas del material se reconocen principalmente
por los picos con planos (211) y (401) que aparecen
en la posición (2θ) 20.528º y 30.516º, respectivamen
-
te. La especie dominante en el material es la chaba-
sita (JCPDS 34-0137), identifcando a la heulandita
(JCPDS 25-144) y al cuarzo (JCPDS 33-1161) en
concentraciones bajas.
La imagen de la muestra MXZ, obtenida por
MEB, se presenta en la
fgura 2
. Se pueden observar
claramente cristales romboédricos bien defnidos co
-
rrespondientes a la chabasita y placas (
plates
) propias
de la heulandita, de acuerdo a lo reportado en la lite-
ratura (Mumpton y Ormsby 1976, Mumpton 1984),
además de impurezas relacionadas directamente con
el origen natural de la chabasita.
En la
fgura 3
se muestran los resultados obte-
CUADRO II
. VALORES DE ÁREA ESPECÍFICA, VOLUMEN Y DISTRIBUCIÓN DE
PORO, OBTENIDOS POR EL MÉTODO BET PARA LAS MUESTRAS MXZ,
MXZNa Y MXZNH
MXZ
MXZNa
MXZNH
Área específca (m
2
/g)
399.07
± 8.22
215.59
± 2.95
88.028 ± 1.22
Volumen total de poro (cm
3
/g)
0.4743 ± 0.07
0.2633 ± 0.03
0.1988 ± 0.03
Diám. promedio de poro (nm)
4.7538 ± 0.36
4.8846 ± 0.38
9.0312 ± 0.21
CUADRO III
. ANÁLISIS EDX DE LAS MUESTRAS ESTUDIADAS
Muestra/Elemento
(% masa)
O
Na
Mg
Al
Si
K
Ca
Fe
Si/Al
MXZ
49.39±0.62
0.32±0.05
0.54±0.02
8.39±0.02
34.51±1.78 1.23 ± 0.1
2.53±0.04
3.09±0.04
4.11±0.22
MXZNa
49.13±1.33
0.71±0.06
0.56±0.02
8.68±0.35
33.87±1.04 1.39 ± 0.1
2.68±0.31
2.97±0.03
3.90±0.16
MXZNH
50.58±1.75
---
0.62±0.02
9.38±0.47
35.87±1.53 0.65 ± 0.04
---
2.89±0.16
3.82±0.33
CUADRO IV
. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE MXZ
Óxidos
(% masa)
ICP-OES
Elemento
(ppm)
ICP-MS
SiO
2
53.1 ± 1.18
Ba
1930
± 23.69
Al
2
O
3
14.65 ± 0.33
Ce
47.3 ± 2.37
Fe
2
O
3
2.80 ± 0.14
Co
17.5 ± 1.31
MgO
3.18 ± 0.05
Cu
8
± 2.16
CaO
2.93 ± 0.07
Dy
6.41 ± 0.15
Na
2
O
1.38 ± 0.10
La
39.7 ± 1.57
K
2
O
1.01 ± 0.04
Nb
21.2 ± 0.47
P
2
O
5
0.04 ± 0.02
Nd
18.5 ± 0.78
TiO
2
0.28 ± 0.02
Ni
30
± 7.78
MnO
0.02 ± 0.01
Zr
482
± 4.75
SrO
0.15 ± 0.01
Sr
1220
± 9.55
BaO
0.22 ± 0.01
V
13
± 1.56
Si/Al*
3.19 ± 0.074
Zn
69
± 4.28
*Convertido a ppm
REMOCIÓN DE PLOMO CON CHABASITA
205
nidos con EDX de la muestra MXZ y las señales
corresponden a los elementos químicos Si, Al, O, K,
Na, Ca, Mg y Fe, que están presentes en la estruc-
tura de la zeolita natural, valores que concuerdan
con la composición química obtenida por ICP-OES
(
Cuadro IV
).
En la
fgura 4
se muestran las curvas obtenidas
para MXZ. Del análisis gravimétrico (
curva A
) se
puede considerar que el peso de la muestra disminuye
signifcativamente con el aumento de temperatura
hasta aproximadamente 600 ºC, después de este valor
se aprecia una reducción progresiva del peso muy
lenta, indicando que la chabasita en estudio se des-
hidrata casi completamente alrededor de los 600 ºC.
Por otro lado, se determinó que la chabasita perdió
el 20% de su peso, conformado principalmente por
agua. Adicionalmente, en la curva de análisis térmico
diferencial (
curva
B
) se observa la pérdida de agua en
dos pasos: el primero a 90 ºC se atribuye a la pérdida
de moléculas de agua (2%) adsorbidas en la zeolita
y el segundo, alrededor de 130 ºC, a la pérdida de
agua estructural de la zeolita. Además, se observa una
señal de descomposición a los 660ºC, lo que permite
constatar que MXZ presenta estabilidad térmica al
menos hasta 600 ºC. Investigaciones realizadas con
chabasita natural han reportado una estabilidad tér-
mica en un intervalo de 400 – 600 ºC (Tsitsishvili
et
al.
1992, Kesraoui-Ouki
et al.
1993). Destacando que
después de los 600 ºC se produce material amorFo en la
estructura de la zeolita, pues estudios realizados (Zema
et al.
2008) afrman que el 90% del agua zeolítica se
pierde por debajo de los 450 ºC.
En el
cuadro II
se presentan los resultados
del análisis determinado por adsorción de gas de
nitrógeno (modelo BET) del área específca de las
muestras de zeolita, los cuales se llevaron a cabo
por triplicado. Los valores para el área específca de
las muestras modifcadas decrecen con respecto a la
natural, fenómeno que coincide con lo presentado
por Susuky y Okuhara (2001). El valor del área
específca obtenido para MXZ es de 399 m
2
/g, valor
diferente a lo reportado por otros estudios para una
chabasita natural, por ejemplo Payne y Abdel-Fattah
(2005) determinaron un área específca de 520 m
2
/g,
Stakebake y Fritz (1984) estudiaron varios depósitos
de Estados Unidos e Irlanda y ellos determinaron que
la chabasita tiene un área específca en un intervalo
de 521 m
2
/g hasta 846 m
2
/g; fnalmente, un estudio
hecho a una chabasita mexicana reportada por Leyva-
Ramos
et al.
(2010) presentó un área específca de
202 m
2
/g. Lo que nos indica que las propiedades de
10
15
20
25
CH = Chabazita
QZ = Cuarzo
HE = Heullandita
30
35
40
HE
HE
CH
CH
CH
CH QZ
CH
CH
CH
intensidad relativa (u.a)
(211)
(401)
45
50
55
60
65
70
Fig. 1
. DRX de la muestra MXZ
Fig. 2.
Imagen de MXZ por MEB
Fig. 3.
Espectro de energía dispersiva de electrones de MXZ
Si
O
0.6
1.2
1.8
2.4
3.0
6.0
3.6
6.6
4.2
4.8
Energía dispersiva de rayos X (keV)
5.4
Intensidad relativa (u.a)
K
Na
Mg
Al
K
Ca
Fe
J. Alvarado Ibarra
et al.
206
las zeolitas naturales variarán de una localidad a otra
dependiendo de su origen. Además, los resultados del
área específca se pueden explicar por las áreas de sec
-
ción transversal de las moléculas de los adsorbatos, ya
que los diferentes valores hacen que la accesibilidad
dentro de la estructura interna de los poros sea disímil.
Los valores de área específca que presentan los diver
-
sos estudios dependen del método seleccionado y de
las condiciones experimentales (Ribeiero
et al.
2003).
La distribución de tamaño de poro se calculó
usando el método de Barrett-Joyner-Hallenda (BJH)
(Barret
et al.
1951) y los resultados se muestran en la
fgura 5
, con la intención de mejorar la apreciación
de la
s gráfcas, los valores de las muestras modi
-
fcadas se multiplicaron por múltiplo de tres. La
International Union of Pure and Applied Chemistry
(IUPAC) ha sugerido la siguiente clasifcación de
los poros de acuerdo con su tamaño,
d:
microporos
(
d
< 2 nm), mesoporos (2 nm <
d
< 50 nm) y ma-
croporos (
d
> 50 nm). Los tamaños de poro de las
muestras en estudio se encuentran en el intervalo de
2.42 a 70 nm, los cuales corresponden a mesoporos
y macroporos. La señal predominante se presenta en
la zona de diámetro de poro
dp
= 3 nm. Con base en
estos valores, el volumen acumulado de poros indica
una fuerte evidencia que el acceso de nitrógeno al
volumen de microporos de la chabasita es cinética-
mente restringido debido a la condensación capilar
de N
2
en esta región (Suzuki y Okuhara 2001). De
acuerdo con los resultados obtenidos, el diámetro
promedio de poro evidencia que las moléculas de
nitrógeno fueron poco accesibles a la estructura
microporosa. Esto sugiere que los diámetros de poro
mayores a 2.0 nm, evidentemente son de adsorción
de nitrógeno y puede ser una contribución de los
poros intercristalinos. Con lo anterior, se puede de-
ducir la existencia de una estructura microporosa de
tamaño uniforme que se encuentra dispersa dentro
de una matriz mesoporosa.
En el
cuadro III
se presentan los resultados obte-
nidos del análisis EDX para cada una de las muestras,
observándose que no hay variación signifcativa en la
relación Si/Al, la cuál es del orden de 3. Los valores
obtenidos son similares a los reportados por Zamzow
et al.
(1990) quienes estudiaron varias muestras de
chabasita y determinaron relaciones Si/Al desde 3.2
100
98
96
94
90.00 ºC
132.30 ºC
337.17 ºC
660.08 ºC
B
A
92
90
88
86
84
82
80
78
200
400
Temperatura (ºC)
Deriv. diferencia de temperatura (ºC/mg/ºC)
Peso (%)
600
800
1000
–0.0035
–0.0033
–0.0025
–0.0020
–0.0015
–0.0010
–0.0005
–0.0000
0.0005
Fig. 4.
Curva de análisis termogravimétrico (A) y curva de análisis diferencial
(B) de MXZ
2.0
1.5
MXZ
MXZNa*3
MXZNH*6
1.0
0.5
0.0
51
0
d
p
(nm)
dV
p
/dlogd
p
15
20
Fig. 5.
Gráfcas BJH para MXZ, antes y después de modifcarse
químicamente
REMOCIÓN DE PLOMO CON CHABASITA
207
y hasta 3.8, mientras que para una chabasita de Ari-
zona, Estados Unidos se reporta una relación Si/Al
de 4.54 (Gennaro
et al.
2003) y para una chabasita de
Sonora, obtenida de una zona cercana al yacimiento
de este estudio, se reporta una relación Si/Al de 3.29
(Mejia-Zamudio
et al.
2009).
En el
cuadro IV
se reportan los resultados de
la composición química de MXZ obtenidos por
ICP-OES e ICP-MS. Se puede ver que la muestra
se compone principalmente por óxidos mayores de:
silicio (53%), aluminio (15%), magnesio (3.18%),
hierro (3%), calcio (3%), sodio (1%) y potasio (1%)
y elementos de óxidos menores de fósforo, titanio y
manganeso. MXZ presenta considerable concentra-
ción de elementos traza de bario y estroncio (1930 y
1220 mg/L, respectivamente), característica común
de las chabasitas ricas en aluminio (Cochemé
et al.
1996).
Con base en la composición química de MXZ
y asumiendo 72 átomos de oxígeno por unidad de
celda, se sugiere la siguiente fórmula molecular:
Na
1.26
K
0.85
Ca
1.48
Mg
2.26
Fe
0.99
[Al
8.19
Si
25.11
O
72
]•30H
2
O
De lo anterior se obtiene que el peso molecular de
MXZ es de 2838.24 g/mol y que los cationes más fre-
cuentes en la estructura son el Mg
2+
>Ca
2+
>Na
+
>K
+
y
éstos están balanceando las cargas negativas debido
a la sustitución isomorfa de los átomos de aluminio
en la estructura de la zeolita.
Intercambio iónico
La cinética que presentan MXZ, MXZNa y MXZ-
NH en el proceso de remoción de plomo se ilustra
en la
fgura 6
, donde se aprecia claramente la rápida
selectividad por el ion plomo en las tres muestras.
Aunque MXZNa presenta una mejor selectividad de
intercambio del ion sodio por el ion plomo, la remo-
ción con respecto a MXZ no es considerable, lo que
refere que la chabasita en estudio, en su Forma natural,
tiene los iones de intercambio sufcientes para usarla
en el proceso de tratamiento de agua contaminada. El
equilibrio se logra aproximadamente a los 500 minutos
de contacto, esto es importante para los procesos de
tratamiento de aguas contaminadas que trabajen en
operaciones continuas ya que es el indicativo para
calcular los tiempos de residencia en las unidades
instaladas.
Otros estudios con chabasita mexicana demues-
tran la utilidad de su uso en el tratamiento de aguas
contaminadas. Mejía-Zamudio
et al.
(2009) obtienen
resultados favorables (90%) en la remoción de arsé-
nico, Leyva-Ramos y colaboradores (2010) indican
que la chabasita presentó 1.43 veces más capacidad
que una clinoptilolita para remover amonio y, Munive
et al.
(2010) presentan una propuesta para remover
micotoxinas con zeolitas, encontrando que la zeolita
que denominaron F2, de composición chabasita-
heulandita, adsorbe Fácilmente la a±atoxina.
Es importante resaltar que estos datos de remoción
son válidos sólo en las condiciones en las que se ob-
tuvieron, debido a que dependen de la concentración
inicial de plomo, la relación masa de zeolita-volumen
de la solución, el pH y la temperatura de la solución,
incluso la composición de la chabasita varía en fun-
ción de su contenido de elementos traza y el papel de
estos en el potencial de remoción del material debe
ser estudiado con mayor detalle.
La isoterma obtenida de los estudios en lote se
muestra en la
fgura 7
, junto con la correspondiente
al modelo de Langmuir (Ecuación 2). El modelo de
Langmuir proporcionó buena correlación de los datos
experimentales (R
2
= 0.92). De los datos calculados
se tiene que la máxima remoción de plomo por MXZ
a través del proceso de intercambio iónico es de 2.38
meq de Pb/g. Los datos obtenidos en el equilibrio
del proceso de intercambio iónico y una descripción
matemática de los resultados son muy importantes
para el diseño de los procesos de intercambio iónico
(Perry y Green 1999).
CONCLUSIONES
En este trabajo se reporta la caracterización de una
zeolita natural mexicana, el análisis de DRX reveló que
la fase cristalina principal es la chabasita. La muestra al
natural presenta un área específca lo sufcientemente
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.2
0.0
0
100
200
300
400
500
MXZNa
MXZ
MXZNH
t (min)
q (meq/g)
0.4
Fig.6.
Cinética de remoción de plomo por intercambio iónico
de MXZ, MXZNa y MXZNH
J. Alvarado Ibarra
et al.
208
grande para el proceso de intercambio iónico y las
muestras modifcadas presentan un decremento signi
-
fcativo. La relación Si/Al de la muestra en su Forma
natural es de 3.19, el cual es un valor que se encuentra
en el intervalo de lo reportado por otros autores. La
muestra de chabasita es térmicamente estable hasta
los 660 ºC. Se propone la Fórmula molecular para
la chabasita sonorense Na
1.26
K
0.85
Ca
1.48
Mg
2.26
Fe
0.99
[Al
8.19
Si
25.11
O
72
]•30H
2
O con un peso molecular de
2838.24 g/mol. El modelo de la isoterma de Langmuir
presenta buena correlación (R
2
= 0.92) de los datos en
equilibrio. No hay necesidad de modifcar química
-
mente la muestra natural para utilizarla en el proceso
de intercambio iónico y tratar la contaminación por
plomo en agua. Los resultados obtenidos indican la
potencialidad para la zeolita natural mexicana como
un material adsorbente/intercambiador iónico para
tratar agua residual contaminada y utilizarla para
aplicaciones de reuso de agua.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se realizó con el apoyo de la beca
CONACyT con número de registro 153854.
A la Dra. Amelia Olivas y Eric Flores Aquino del
CNyN-UNAM, por el apoyo en los análisis BET, a
los doctores Rosa Elena Navarro y Raúl Pérez Sa-
las de la Universidad de Sonora, por sus oportunos
comentarios.
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Fig.7.
Datos de equilibrio (isoterma) de remoción de plomo en
solución acuosa para MXZ
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
05
10
15
20
Ceq (meq Pb/L)
Langmuir
Experimental
q (meq Pb/g)
25
30
REMOCIÓN DE PLOMO CON CHABASITA
209
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