Highlights

1. El estudio proporciona un panorama actualizado sobre el uso de residuos agrícolas como bioadsorbentes de colorantes presente en los residuos de la industria textil.

   La investigación muestra que el uso de desechos agrícola para el tratamiento de agua residuales textiles aporta a los principios de la economía circular.

   El trabajo resalta el uso de materiales de bajo costo como bioadsorbentes como alternativa eficiente a los métodos de tratamientos tradicionales.

   Los resultados mostraron la necesidad de estandarizar la reutilización de los bioadsorbentes al igual que la incorporación de análisis tecno-económico y sostenibilidad.

Highlights

1. The study provides an updated overview of the use of agricultural waste as bioadsorbents for dyes present in textile industry waste.

   The research shows that the use of agricultural waste for the treatment of textile wastewater contributes to the principles of the circular economy.

   The paper highlights the use of low-cost materials as bioadsorbents as an efficient alternative to traditional treatment methods.

   The results showed the need to standardize the reuse of bioadsorbents and incorporate techno-economic analysis and sustainability.

1. INTRODUCCIÓN

El crecimiento constante de la población mundial ha provocado un aumento en el consumo de materias primas. Actualmente, la industria textil es una de las que presenta mayor demanda en el mercado. En consecuencia, se generan anualmente grandes cantidades de aguas residuales contaminadas con colorantes orgánicos (OC) ^[1]–[3]. Sin embargo, estas poseen características inadecuadas para su vertimiento en sistemas acuáticos, como elevada demanda química de oxígeno (DQO), fuerte coloración, pH inapropiado y elevado contenido de sales ^{[4], [5].}

La presencia de OC en ambientes acuáticos puede afectar gravemente a los organismos vivos, debido a su toxicidad, capacidad de producir mutaciones genéticas e interferir en los procesos de fotosíntesis ^{[6], [7].} Por tal motivo, durante los últimos años, se han estudiado diversos métodos para tratar las aguas residuales de la industria textil, tales como los procesos de oxidación avanzada, electrocoagulación, decoloración microbiológica, filtración por membranas, procesos fotocatalíticos y adsorción^[8]. Si bien todos estos métodos poseen ventajas y desventajas, el proceso de adsorción ha llamado la atención por su alta eficiencia y bajo costo ^[9].

En el proceso de adsorción de OC se emplean diversos materiales que demuestran resultados positivos en cuanto a capacidad de remoción. Sin embargo, siguiendo los principios de la economía circular, se ha propuesto el uso de los residuos de frutas proveniente de la agroindustria como bioadsorbente de OC ^[10]. Los bioadsorbentes se han convertido en una opción de bajo costo por su facilidad de obtención, abundancia, menor impacto y capacidad de adsorción^[11]. Los excelentes resultados en cuanto a capacidad de remoción están relacionados con la presencia de compuestos como la celulosa, la hemicelulosa y lignina, los cuales facilitan los procesos de atracción electrostática con el OC^[12].

A pesar de que en la actualidad esta problemática ha tomado relevancia, aún son pocos los trabajos que muestran datos en forma de estadísticas para indicar el avance científico sobre el uso de los desechos agrícolas como bioadsorbentes a nivel global. Las revisiones bibliométricas son de gran importancia para la comunidad científica, ya que permiten obtener un panorama sobre las tendencias acerca un tema de interés durante un rango estimado de tiempo, lo cual se convierte en una herramienta para direccionar de mejor manera futuras investigaciones. No obstante, para el tratamiento de aguas con bioadsorbente, se evidenció una carencia de trabajos bibliométricos. Por lo tanto, en el presente artículo, se realizó un análisis bibliométrico sobre el uso de residuos frutales como adsorbente de OC en aguas residuales, usando el software bibliométrico VOSviewer, con el objetivo de analizar y revisar las tendencias, perspectivas y desarrollo a través de datos estadísticos sobre la temática, para finalmente, plantear recomendaciones futuras que puedan dar un horizonte y/o base a los nuevos estudios.

Diversos estudios han abordado el uso de desechos agroindustriales como bioadsorbentes, por ejemplo, ^[13] realizó una revisión sobre el empleo de desechos agrícolas como adsorbente de colorantes proveniente de la industria textil, en el cual identificó los adsorbentes más apropiados para los distintos tipos de colorantes. Además, ^[14]publicó un trabajo de revisión donde analizaron los colorantes más estudiados y los diferentes bioadsorbentes sometidos a diversas modificaciones químicas. En dicho estudio se encontró que los OC más comúnmente empleados era los derivados de metilo, como el Azul de metileno (AM), el naranja de metilo (NM) y el rojo de metilo (RM), también se identificaron colorantes como el negro reactivo cinco (RB5) y el rojo de Congo en menor medida. De igual manera, en su estudio mostró como el empleo de la cáscara, semillas y hojas de las plantas, despiertan cada vez mayor interés como bioadsorbentes de OC debido a su abundancia, eficiencia y bajo costo; Según el estudio, estos tienen potencial porque pueden ser usado directamente como se obtienen o con un tratamiento adicional. Por otro lado, ^[15] analizó el uso de material vegetal como adsorbente de OC de tipo aniónico provenientes de la industria textil. En el cual, se enfocó en mostrar la influencia de parámetros como el pH, el tamaño de partícula y la temperatura sobre la capacidad de adsorción. Asimismo, realizó un análisis comparativo entre los carbones activados y materiales modificados químicamente con compuestos catiónicos. Además,^[16] presentó una revisión sobre el uso de diversos desechos agrícolas en el tratamiento de soluciones con rodamina B. En este, destaca la importancia de los adsorbentes elaborados a partir de desechos agrícolas, resaltando su aporte a la economía circular. Además, se identificó que el mayor porcentaje de adsorción del 98 % correspondió a un carbón activado a base de desechos de la producción de azúcar blanca.

El análisis bibliométrico permite verificar en la literatura de forma exhaustiva sobre un tema específico teniendo en cuenta bases de datos globales, con el objetivo principal de brindar una perspectiva clara que permita a investigadores orientar futuros trabajos^[17]. En especial, en un análisis bibliométrico se tiene en cuenta datos como número de citas, temas, palabras claves, países y poblaciones. Bases de datos científicas como Web of Science (WoS), Scopus o softwares bibliométricos como VOSviewer, Leximancer y Gephi, permiten observar a través de datos cuantitativos las tendencias generales de un tema a investigar, por lo tanto, en los últimos años se ha popularizado entre la comunidad científica su uso ^[18]. Aunque el análisis bibliométrico ha comenzado a ser utilizado por la comunidad científica en diferentes áreas, son relativamente pocos los reportados en la literatura, y específicamente, no se han realizado estudios bibliométricos para el tratamiento de aguas residuales utilizando desechos agrícolas.

1.1 Fundamentación teórica

Diversos estudios han abordado el uso de desechos agroindustriales como bioadsorbentes, por ejemplo, realizó una revisión sobre el empleo de desechos agrícolas como adsorbente de colorantes proveniente de la industria textil, en el cual identificó losadsorbentes más apropiados para los distintos tipos de colorantes. Además, ^[14] publicó un trabajo de revisión donde analizaron los colorantes más estudiados y los diferentes bioadsorbentes sometidos a diversas modificaciones químicas. En dicho estudio seencontró que los OC más comúnmente empleados era los derivados de metilo, como el Azul de metileno (AM), el naranja de metilo (NM) y el rojo de metilo (RM), también se identificaron colorantes como el negro reactivo cinco (RB5) y el rojo de Congo en menormedida. De igual manera, en su estudio mostró como el empleo de la cáscara, semillas y hojas de las plantas, despiertan cada vez mayor interés como bioadsorbentes de OC debido a su abundancia, eficiencia y bajo costo; Según el estudio, estos tienen potencial porque pueden ser usado directamente como se obtienen o con un tratamiento adicional. Por otro lado, ^[15] analizó el uso de material vegetal como adsorbente de OC de tipo aniónico provenientes de la industria textil. En el cual, se enfocó en mostrar lainfluencia de parámetros como el pH, el tamaño de partícula y la temperatura sobre la capacidad de adsorción. Asimismo, realizó un análisis comparativo entre los carbones activados y materiales modificados químicamente con compuestos catiónicos. Además, ^[16] presentó una revisión sobre el uso de diversos desechos agrícolas en el tratamiento de soluciones con rodamina B. En este, destaca la importancia de los adsorbentes elaborados a partir de desechos agrícolas, resaltando su aporte a la economía circular.Además, se identificó que el mayor porcentaje de adsorción del 98 %correspondió a un carbón activado a base de desechos de la producción de azúcar blanca.

El análisis bibliométrico permite verificar en la literatura de forma exhaustiva sobre un tema específico teniendo en cuenta bases de datos globales, con el objetivo principal de brindar una perspectiva clara que permita a investigadores orientar futuros trabajos ^[17]. En especial, en un análisis bibliométrico se tiene en cuenta datos como número de citas, temas, palabras claves, países y poblaciones. Bases de datos científicas como Web of Science (WOS), Scopus o softwares bibliométricos como VOSviewer, Leximancer y Gephi, permiten observar a través de datos cuantitativos las tendencias generales de un tema a investigar, por lo tanto, en los últimos años se ha popularizado entre la comunidad científica su uso ^[18]. Aunque el análisis bibliométrico ha comenzado a ser utilizado por la comunidad científica en diferentes áreas, son relativamente pocos los reportados en la literatura, y específicamente, no se han realizado estudios bibliométricos para el tratamiento de aguas residuales utilizando desechos agrícolas

2. METODOLOGÍA

2.1 Fuentes de datos y criterios de selección

La bibliografía disponible para el análisis se recuperó de la base de datos especializada Scopus® - Elsevier BV, siendo considerada una de las plataformas referenciales con mayor cobertura^{[19], [20];} permitiendo así la disminución en el sesgo generada por la búsqueda de la información ^[21]. El período de búsqueda fue el 31 de mayo de 2023 y se empleó el siguiente algoritmo: "Fruits" AND "Adsorption" AND "Wastewater" AND "Dyes". La búsqueda arrojó 705 publicaciones, a los cuales se le aplicó los criterios de inclusión; siendo estos: (1) incluir artículos científicos y revisiones, (2) rango de tiempo de publicación entre 2010 a 2022, y finalmente, (3) no se limitó el idioma, país o categoría de datos; obteniendo así un resultado final para el análisis (Figura 1). Los datos fueron descargados en archivos de citas de sistemas de información de investigación “RIS” el cual contenía la información completa y referencias citadas.

Figura 1.
Diagrama de flujo PRISMA
Fuente: elaboración propia.

2.2 Análisis de los datos

Se utilizó el software VOSviewer (Versión 1.6.18) con el propósito de representar la relación entre las palabras claves, autores y países mediante redes bibliométricas basadas en la metodología propuesta por Ludo Waltman y Nees Jan van Eck, la cual aplica la medida de similitud como índice de proximidad ^[22]–[24]. Este software muestra ventajas en la representación visual del conocimiento cartográfico, específicamente, en la agrupación de este ^[17]. Las redes estructuradas servirán para el análisis de coautoría, coocurrencia y citas, es decir, se analizó la coocurrencia de las palabras claves (se utilizó el 14 como número mínimo de apariciones de una palabra clave para estructurar el mapa), así como las coautorías entre los países (condiciones limitantes, que el número máximo de países por documentos fuera de 20, que el número mínimo de documentos publicados por países fuera 2 y finalmente, el número mínimo de citas por país sea 10) e investigadores (limitantes, que el número de autores máximo por publicación fuera de 20 y que por lo menos, los autores hayan publicado 4 artículos), y en último lugar, se analizó las revistas con mayor impacto en términos de citaciones. Estas redes obtenidas por medio del análisis de los nodos y el tamaño de estos están enmarcadas por la fuerza total del enlace mientras que la densidad de la línea que enlaza los nodos está relacionada con la fuerza del enlace. Por otro lado, el número de clústeres que se perciben en las redes está estipulado por la resolución; cuanto mayor sea su valor, mayor es el nivel del detalle de estos ^[24].

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Publicaciones en el tiempo

Se identificaron un total de 532 publicaciones dentro de los criterios establecidos para la búsqueda de literatura científica base para el análisis bibliométrico. En la Figura 2 se muestra el número de publicaciones dentro del periodo determinado, al igual que el número total de citaciones por año. En los dos primeros años, se observa un incremento en el número de publicaciones dado el interés por utilizar adsorbentes de bajo coste, coincidiendo con lo destacado por ^[25] y ^[26], donde se analizaron la capacidad de diferentes adsorbentes alternativos reportados en la literatura, entre ellos, el papel que tenían los tejidos vegetales en la remoción de colorantes en el tratamiento de aguas residuales.

Figura 2.
Acumulación de publicaciones y número de citas entre 2010 - 2022
Fuente: elaboración propia.

En el rango de tiempo comprendido por el año 2010 hasta el año 2014, se evidenció que el número de publicaciones alcanzó un máximo de 300 por años, esto puede estar relacionado a un crecimiento conservador y un predominante uso de metodologías como la extracción por solventes, evaporación, filtración por membranas y electroquímica ^[27]. A partir del 2015, se percibe un incremento significativo de las publicaciones con una variación pequeña en la pendiente de documentos publicados, que coincide con el planteamiento de los 30 objetivos de desarrollo sostenibles por parte de la Organización de Naciones Unidas (ONU) ^[28]. Cabe resaltar que los cambios significativos en la pendiente de acumulación de documentos publicados se marcan entre los períodos 2013 al 2017 y 2018 al 2022, demostrando el interés y la relevancia de este campo específico ^[29]. Posteriormente, el 2022 es el año con mayor número de publicaciones (23,87 % de la producción total) dejando ver el aumento en la tendencia del campo, en el cual se buscan materiales filtrantes naturales para reducir los costos operativos en los tratamientos convencionales y que no tengan efectos negativos sobre el medio ambiente y la salud humana^[30]. Finalmente, el promedio de citas por documento fue de 28,83, con una cantidad de 2027 autores en total con una media de 3,81 autores por publicación.

3.2 Distribución por países

Los resultados obtenidos en el análisis bibliométrico enfocado a los países relacionados con la publicación de la temática muestra que 64 países han publicado documentos científicos y académicos sobre la utilización de los residuos frutales como medio de adsorción de colorantes en el tratamiento de las aguas residuales, de los cuales, el 76,56 % de estos ha contribuido con menos de 10 documentos inéditos. En la Tabla 1, se puede apreciar sobre los 10 países con mayor publicación, donde China puntúa en la publicación de artículos (206 documentos, 38,72 % del total) y 5.495 citas. Otros países que también se han centrado en este campo son India (17,48 %), Malasia (7,58 %), Arabia Saudí (5,64 %) e Irán (5,26 %). Estos son acordes con el desarrollo industrial de países como China e india, en los cuales la industria textil y de alimentos es fundamental para su economía. Por ejemplo, según datos, la industria textil en china tuvo un aumento cercano al 3 % en el periodo comprendido entre el año 2016 al 2019 ^[31]. Sin embargo, esto también desencadena una mayor cantidad de residuos sólidos y líquidos generados que necesitan ser tratados antes de ser descartados.

De igual forma, en la Figura 3 se visualiza la superposición de los 43 países con mayor publicación incluidos el top 10 de la clasificación. Estos países están vinculados en función de citas y cooperación en el desarrollo del campo de investigación; lo cual permitirá que los académicos y científicos formen nuevas colaboraciones aumentando el conocimiento del campo y la producción conjunta de enfoques, así como artículos publicados ^{[32], [33].} El tamaño de los círculos se encuentra China siendo el país líder en publicaciones independiente de su colaboración internacional corroborando la información de la Tabla 1. Asimismo, se muestra que India es el Estado y/o Nación con mayores redes, colaborando con 19 países, seguido de Malasia (n = 15) y China (n = 11). Lo anterior tiene concordancia con el papel de la industria alimentaria y sobre todo la producción de frutas en estos países, lo que conlleva a una explotación del potencial de estos residuos en la solución de problemáticas de tratamientos de agua residuales usando el método de adsorción física. En el caso de la India está entre los 3 países con mayor producción de frutas y verduras en el mundo, teniendo una producción superior a los 300 millones de toneladas ^[34]. Por lo tanto, se puede entender su importancia en la colaboración científica sobre la temática.

Figura 3.
Colaboración entre los principales países
Fuente: elaboración propia.

3.3 Análisis de autores

La cantidad de referencias que recibe un investigador se emplea para medir su impacto en un campo específico, evidenciando a los principales autores mediante el número de trabajos publicados y citados ^{[32], [35].} En este análisis se estableció un total de 2027 autores que participan dentro del campo de estudio, donde el 83,47 % (1692) de los autores tiene una publicación. El autor Liu, Y obtuvo el mayor número de citaciones seguido por Ren, S (n = 482); Yan, Q (n = 448) y Chen, Z (n = 446). El diagrama de la red final después de ajustar las condiciones estipuladas muestra 61 autores conectados, siendo la mayoría de ellos son de China. Igualmente, se pueden resaltar que mediante el análisis de coautoría; Zhang, L. es el autor con más redes, colaborando con 16 autores diferentes, seguido por Liu, Y; Chen, Z y Wang, Y con 14 cada uno (Figura 4).

Figura 4.
Visualización de la red de autores con mayor impacto en la temática
Fuente: elaboración propia.

Del mismo modo, la Figura 5 expone que la producción sobre la utilización de los residuos frutales como medio de adsorción de colorantes en el tratamiento de las aguas residuales ha tomado relevancia entre los autores desde el 2015 aproximadamente, resaltando así la actualidad y relevancia que posee la premisa en la actualidad. Finalmente, se interpreta que los autores como Wang, Z; Gao, p; Yang, H, Du, L; así como Yang, J son los últimos en publicar sobre la temática.

Figura 5.
Visualización de la red de autores dentro de la línea de tiempo
Fuente: elaboración propia

3.4 Análisis de las revistas

En la Tabla 2 se enumeran las 10 revistas con mayor número de publicaciones acerca de la temática indagada. Según esto, 22 de los 532 artículos fueron publicados Chemosphere (n = 22) una revista científica especializada en el campo del cuidado del medio ambiente con enfoque en el análisis de contaminantes presentes en cuerpos hídricos y sus metodologías de tratamiento, siendo la fuente con mayor cantidad de publicaciones, posiblemente la opción más destacada para que los científicos compartan sus artículos sobre temas relacionados a transformaciones químicas ^[36]; seguidos de Journal of Environmental Chemical Engineering (n = 18) y Water Science and Technology (n = 14).

De esta forma, y de acuerdo con Scientific Journal Ranking (SJR) ^[37], ochos de las revistas posee un índice H > 100 al igual que seis se encuentran en el Cuartil 1. Las características anteriores muestran el nivel de relevancia, impacto y calidad científicas de las revistas. De igual forma, se puede observar que Países Bajos y Reino Unido poseen el mayor número de revistas que publican sobre la temática en cuestión.

3.5 Análisis de las instituciones

Los resultados del análisis conciernen a 1234 instituciones y/o centros académicos, de los cuales el 79,74 % aportaron menos de un artículo publicado. Como se esperaba según los resultados del Cuadro 1 y la Figura 2 las instituciones de China son las de mayor producción. Las 20 instituciones principales se muestran en la Figura 6, correspondiendo al 31,4 % de las publicaciones totales sobre el tema. El Ministerio de educación de China ocupa el primer lugar (35 publicaciones, 6,58 % del total), seguida de la Universidad de King Saud y la Universidad del Chongqing que ocupan el segundo y tercer lugar con 12 publicaciones cada una.

Figura 6.
Red de colaboración entre instituciones
Fuente: elaboración propia

3.6 Artículos más citados

En cuanto a los estudios más referenciados en el tratamiento de las aguas residuales mediante residuos frutales como medio de adsorción de colorantes, se destacan los diez principales según la cantidad de citas que han recibido. En primer lugar, se encuentra un artículo con 510 citas, ^[38] se centró sobre la adsorción del colorante violeta de cristal (CV) por la cáscara de pomelo (GFP), que tiene potencial de aplicación en la remedición de aguas residuales contaminadas con colorantes utilizando un residuo sólido generado por la industria de jugos de frutas cítricas demostrando que la GFP tiene el potencial de aplicación como un adsorbente eficiente para la eliminación de CV de soluciones acuosas. En segundo lugar, con 334 citas, este estudio indagó sobre la utilización de adsorbentes económicos y respetuosos con el medio ambiente, disponibles de manera natural, para eliminar colorantes peligrosos de desechos líquidos mediante procesos de adsorción. Se presentó una lista compilada de adsorbentes asequibles, fácilmente accesibles, seguros de manipular y simples de desechar. Estos adsorbentes se agrupan en cinco categorías distintas según su disponibilidad: (1) desechos agrícolas e industriales, (2) residuos de frutas, (3) residuos vegetales, (4) materiales inorgánicos naturales y (5) bioadsorbentes. Algunos de estos adsorbentes han demostrado una capacidad de adsorción eficaz para varios colorantes, si bien este proceso está altamente influenciado por el pH del medio y su nivel juega un papel crucial en el tratamiento^[39].

Seguidamente,^[40]se centraron en analizar los diferentes adsorbentes ecológicos empelados para el tratamiento de las aguas residuales en relación con los colorantes; metales pesados; fenoles; pesticidas y productos farmacéuticos. La búsqueda para la revisión se basó en residuos agrícolas y subproductos (frutas, verduras, alimentos); residuos y desechos agrícolas, así como fuentes de bajo costo (carbón activado derivados de pirólisis de residuos agrícolas). Los autores discutieron aspectos como la capacidad de adsorción de los materiales donde indican que corteza de madera de té y las semillas de papaya tiene alta capacidad de adsorción del Azul de metileno, así como el cactus tuno (cladodios) para el azul de metileno, el Eriochrome Black T y el Alizarin S; mientras que el azolla tratada para metales como Pb, Cd, Cu y Zn. Además, la cáscara de arroz modificada para el parquet (pesticida), al igual que el modelado cinético dejando en claro que actualmente se emplean las ecuaciones de Langmuir, Freundlich y la combinacional Langmuir-Freundlich (LF) para ajustar los datos de equilibrio experimental. De igual manera, resaltan el uso de ecuaciones de Lagergren y de pseudosegundo orden bajo modelos de Elovoich, Intrapartícula y McKay para ajusten en la cinética de absorbentes de bajo costo.

Asimismo, el artículo de revisión ^[41] con 210 citas, indagó sobre la utilización de los desechos de banano como medio adsorbente de contaminantes solubles en agua como tintes, metales pesados, pesticidas, aceites, compuestos orgánicos, etc. Indicaron que los residuos llevados a carbones activos (química o térmica) poseen mayor capacidad de adsorción que sin activación, resaltando que Cáscara de plátano activada (AC) tienen alta capacidad para disminuir el azul de metileno al igual que al naranja II, sin embargo, aclaran que la forma del residuo (cáscara, médula, tallo, hoja, pseudotallo) tiene influencia en el tipo de colorante al que es efectivo.

Por otro parte, con 175 citas, ^[42] emplearon un biocarbón de cáscara de lichi a partir de la carbonización hidrotermal y un proceso de activación en horno de mufla, fue empleado en la de adsorción de rojo Congo (CR) y verde malaquita (MG). Los autores resaltan que el biocarbón alcanzo una eficiencia del 98 % en la adsorción del mg, debido a su alta área de superficie específica, gran volumen microporoso y a la interacción electrostática dependiendo del pH, para este caso, pH > 2 (superficie cargada negativamente).

Con 163 citas, en el sexto lugar, se centraron en la utilización de cáscaras de residuos agrícolas, específicamente, plátano, papa y pepino en la adsorción de colorantes catiónicos (azul de metileno) y aniónicos (naranja G) en aguas residuales. Los autores emplearon ATR-FTIR, sorción de N2, SEM y XRD como técnicas de caracterización del material, a partir de esto, emplearon los bioadsorbentes destacando que la cáscara de plátano (BP) y la cáscara de pepino (CP) posee una alta capacidad de adsorción de azul de metileno (pH ≥6) mientras que la cáscara de pepino (CP) es el biosorbente más eficaz para el colorante aniónico (pH =2).

La revisión ^[43] con 152 citaciones, la cual sintetizó los procesos de obtención del material, caracterizaciones y utilización de bioadsorbentes provenientes de residuos de frutas para la eliminación de varios contaminantes del agua. Los autores destacan que la combinación de pirólisis con activación química, específicamente con KOH o H₃PO₄ son más eficientes para aumentar la capacidad de adsorción; esto se debe a que aumentan el área superficial (>800 m²/g), desarrollan una estructura porosa óptima e incorporan los grupos funcionales activos favorables para el proceso de adsorción. Además, indican el potencial de bioadsorción de la cáscara de cola activada con ZnCl₂ y Cáscara de fruta de Karanj a 323 K en relación con el azul de metileno al igual que la semilla Litsea glutinosa llevada a carbón activado con NaHCO₃. En octavo lugar, encontramos ^[44], donde indagaron la implementación de la cáscara de sandía como bioadsorbente de tintes y metales pesados de aguas residuales. Destacan que la adsorción del colorante y/o tinte depende de las características del proceso, indicando que bajo la vía de activación química (ZnCl₂, H₂SO₄, H₃PO₄, KOH para aumentar la porosidad y reactividad superficial), en temperatura entre 25–30 °C y bajo pH controlado para colorantes aniónicos (pH 2–5,6) mientras que para colorantes catiónicos (pH 7–11); este material ha sido empleado con alta capacidad de adsorción en colorantes como azul de metileno (MB), Remazol Brilliant Blue Reactive (RBBR) y rojo básico 2 (BR2).

Asimismo, con menos de 100 citaciones, ^[45] determinaron las propiedades para la eliminación del azul de metileno a partir de carbón activado del tallo del banano (ACBS) en aguas residuales, los autores emplearon diversas dosis de adsorbente (0,05, 0,1, 0,2, 0,3 g en 100 mL de solución de colorante), concentraciones iniciales (25, 50, 100, 150, 200 mg/L) y el tiempo de contacto t (2 – 90 min). El estudio indica que la condición óptima de la dosis está entre 0,1 g hasta 0,3 g por cada 100 mL de solución con una concentración inicial de 25 a 200 mg/L y un tiempo de contacto de 90 minutos para alcanzar equilibrio completo. Finalmente, en ^[46] aplicaron la cáscara de melocotón cruda y en polvo como biosorbente de azul de metileno, el cual tiene un 98,5 % de biosorción de MB con una dosis óptima de 400 mg en 100 mL bajo un pH de 5,5; una temperatura de 22°C y un tiempo de contacto de 60–180 min. Los autores resaltan que este material posee alta capacidad, pero especialmente en bajas concentraciones de MB y en control de pH.

3.7 Co-ocurrencia y la densidad de palabras claves

Se ha empleado la co-ocurrencia de palabras para detectar la relación y la conexión entre los artículos. Esta técnica se aplica tanto a "Palabras clave indexadas" (términos seleccionados por los proveedores de contenido y estandarizados según vocabularios públicos disponibles, que incluyen sinónimos, diferentes formas y plurales) como al "Conteo completo" (donde cada enlace de co-ocurrencia tiene el mismo peso) ^{[22], [24].} El panorama científico del campo de investigación relacionado con la utilización de los residuos frutales como medio de adsorción de colorantes en el tratamiento de las aguas residuales se representa en la Figura 7, con base en el mapa de coocurrencia de las palabras claves recuperadas con el análisis bibliométrico.

Figura 7.
Mapa de co-ocurrencia (redes)
Fuente: elaboración propia

Se obtuvieron un total de 4532 palabras claves en total, una vez se aplicaron las condiciones limitantes, dejó como resultado 203 palabras que conforman los cuatro grupos o clústeres (indicados por los colores verde, azul, rojo y amarillo) de investigación centrales definen por concentrar los conceptos y/o términos más usados en la temática. El clúster de rojo está conformado por 66 ítems o términos relacionados fuertemente con las frutas cítricas, los colorantes azoicos, dado a que adsorbentes basados en estas muestran una alta capacidad de remoción de los colorantes mencionados ^[47]. Para comprender mejor la interacción entre los adsorbentes y los colorantes, así como para caracterizar la estructura y composición de los materiales, se emplean técnicas analíticas como la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la difracción de rayos X (XRD). Estas técnicas permiten estudiar la naturaleza de los enlaces químicos, la morfología de los materiales y su estructura cristalina, lo que contribuye a entender el mecanismo de adsorción y optimizar el proceso para la eliminación eficiente de los colorantes azoicos ^[48].

El grupo verde tiene 62 palabras claves, el cual relaciona la adsorción de los colorantes, metales y compuestos aromáticos en el tratamiento de agua residuales a través de la bioadsorción y carbón activado extraído de frutas, dado a que en los últimos años se han investigado la utilización de materiales de bajo costo, como residuos agrícolas o subproductos de la industria alimentaria, para eliminar contaminantes del agua provenientes de las industrias textiles ^[49]. Además, indica una relación el modelo de adsorción de Langmuir y los análisis termogravimétricos; ya que se utilizan para describir cómo se distribuyen y se adhieren los contaminantes en el adsorbente ^[40], así como para estudiar las propiedades físicas y químicas del adsorbente, como su estabilidad térmica y su contenido de materia orgánica^[43]. Estos análisis ayudan a comprender mejor el comportamiento del adsorbente durante el proceso de adsorción y a optimizar las condiciones de tratamiento de aguas residuales^[50].

De la misma manera, el tercer grupo “azul” se enmarca en la cinética de la adsorción, el equilibrio isotérmico o en la modificación química de los procesos de generación de los adsorbentes en busca del perfeccionamiento de los estudios experimentales con aguas industriales y residuales o soluciones acuosas para la remoción de contaminantes o de los compuestos azoicos por medio de la biorremediación empleando biocarbón generado de residuos frutales ^[51]–[53]. De igual forma, este clúster es afín a las técnicas de pirólisis, termogravimetría, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier o con influencia de la termodinámica para comprender mejor los procesos de adsorción y remoción de contaminantes, así como para optimizar la eficiencia de los sistemas de tratamiento de aguas residuales ^{[47], [54].}

Finalmente, el cuarto grupo lo conforman 19 ítems, acoplando la capacidad y perfeccionamiento de la cinética enzimática dentro de la adsorción de colorantes aniónicos o azoicos por vía de atracciones electrostáticas comprendiendo los parámetros termodinámicos bajo los modelos cinéticos de pseudo-segundo orden y de difusión intraparticular. Esto se debe a que la atracción electrostática facilita la interacción entre el adsorbente y el colorante, aumentando la eficiencia de la adsorción ^[55]. Además, al comprender los parámetros termodinámicos, como la entalpía, la entropía y la energía libre de Gibbs, se puede optimizar el proceso de adsorción para maximizar la capacidad de remoción del colorante ^[56]. De igual forma, los modelos cinéticos de pseudo-segundo orden y de difusión intraparticular permiten entender la velocidad de adsorción y el mecanismo de transferencia de masa durante el proceso, lo que contribuye a mejorar la eficacia del tratamiento de aguas contaminadas con colorantes aniónicos o azoicos ^[57].

3.8 Limitaciones y fortalezas del estudio

El análisis bibliométrico permite exponer las publicaciones científicas y académicas, tales como artículos, libros y capítulos de libro de forma estructurada de fácil comprensión con la finalidad de reconocer información relevante sobre temáticas actuales en los campos del conocimiento^[58]. Este análisis permitió establecer los avances en investigación sobre la utilización de los residuos frutales como medio de adsorción de colorantes en el tratamiento de las aguas residuales. No obstante, es esencial resaltar que, a pesar de la originalidad de esta revisión bibliométrica y los resultados significativos obtenidos, este análisis no carece de limitaciones. Principalmente, esto se debe a que no se examina el contenido específico de las publicaciones, sino que se centra en un análisis cuantitativo de la producción científica evaluada. Además, este trabajo presenta las limitaciones inherentes a los estudios bibliométricos, como la elección de la base de datos, las cadenas booleanas seleccionadas, la estandarización manual llevada a cabo y los parámetros bibliométricos utilizados para analizar las publicaciones seleccionadas ^{[59], [60].}

3.9 Brecha en el área de investigación de interés

A pesar del rápido desarrollo del campo en la utilización de residuos frutales como medio de adsorción de colorantes en el tratamiento de las aguas residuales, aún existen desafíos o vacíos en el campo que se deben abordar. En esta sección, basándose en los resultados del análisis de co-ocurrencia de las palabras claves y la revisión de los artículos publicados en los últimos años, se analizan brechas que puedan impulsar las líneas de investigación actuales y futuras.

3.9.1 Reutilización y/o regeneración del adsorbente

A medida que avanzan las investigaciones sobre la remoción de colorantes en las aguas residuales a partir de adsorbentes derivados de residuos frutales o agrícolas, este proceso presenta una creciente preocupación dado a que los adsorbentes después de un tiempo específico pierden la capacidad de adsorción derivado de las concentraciones retenidas en la superficie del mismo ^[61], lo que disminuye la sostenibilidad ambiental y económica. Estudios como ^[62], emplearon ácido clorhídrico (HCL a 0,1M) y acetona (75:25) para regenerar la capacidad de adsorción del carbón activado derivado sulfonado de residuos de cáscara de granada (S-PPAC) modificado con sal sódica, el cual fue reutilizado en tres ciclos consecutivos disminuyendo su capacidad en el cuarto y quinto ciclo (86 % y 67 %). De igual manera, ^[63]–[66]destacaron el uso de disolventes como ácidos (HCl, HNO₃) y bases (NaOH) resultan efectivas en la desorción de colorantes, sin embargo, la eficiencia del adsorbente disminuye ciclos después. Además, el método de regeneración emplea solventes orgánicos que pueden tener impactos ambientales. Asimismo, ^[67] utilizaron una solución acuosa con naranja de metilo (OM) con agitación durante 180 minutos para la desorción del carbón activado H₃PO₄ derivado de pulpa de bagazo de caña de azúcar, no obstante, en el proceso de reutilización del material perdió la capacidad de adsorción pasando del 85,7 % al 50 %.

Por otro lado, ^[61] indagaron la importancia de la recuperación carbón activado al igual que los procesos empleados, destacando que la oxidación electro-Fenton heterogénea es la técnica dentro de los procesos oxidativos avanzados más efectiva en la regeneración de la adsorción del material (>90 %), esto se debe a que permite la mineralización de los contaminantes orgánicos recalcitrantes y genera radicales hidroxilo, así como no requiere de químicos adicionales como peróxidos, y por último, este proceso mantiene la integridad estructural del material (área superficial, distribución de poros y capacidad de adsorción) permitiendo reutilizar el carbón activado en múltiples ciclos con eficiencia. ^[68] emplearon el NaCl,  MgCl₂ y CaCl₂ (0,1 y 0,5 M) para regenerar el carbón activado de cáscaras de kiwi, donde el  MgCl₂ a 0,1 M con un tiempo de contacto de 60 minutos y el pH de 5,5; mostró mejores resultados en el aumento de la capacidad de adsorción del material, puesto que después de 10 ciclos la eficiencia de adsorción fue alta. A partir de esto, es fundamental comprender los factores que afectan los procesos de desorción de contaminantes puesto que las brechas en el campo están relacionada a la durabilidad, la eficiencia a largo plazo, los costos y los impactos ambientales involucrados en los mecanismos de regeneración ^[69]. Para avanzar en este campo, es fundamental que se aborden los desafíos, pero más que nada, se logre estandarizar los procesos y pruebas de regeneración. Además, la mayoría de los ensayos son llevados a cabo en condiciones pilotos de laboratorio donde no se refleja la complejidad de las aguas residuales complejas reales (urbanas, industriales o agrícolas) como lo indica^[70], donde emplearla a mayores escalas implica retos técnicos y económicos.

3.9.2 Análisis tecno-económico y sostenibilidad

En la actualidad, los artículos publicados apenas muestran intentos limitados de análisis tecno-económico y sostenibilidad ^[71]. Varias investigaciones muestran este intento, tal como ^[67], los cuales estiman un costo de producción aproximado de $27,14 con una eficiencia de adsorción del 99,1 %. No obstante, se debe tener en cuenta que los autores no adicionaron los costos derivados de la regeneración del adsorbente ni el reciclaje del solvente, siendo estos desafíos económicos adicionales. ^[15] y ^[72]nos indican que los costos implicados en la obtención del adsorbente derivado de residuos agrícolas y su regeneración se aproximan a los $42.5/kg en comparación del carbón activado comercial con un costo estimado de $111.4/kg. Además, resaltan que la utilización de biomasa agrícola como materia prima contribuye a la reducción de residuos depositados en los rellenos sanitarios al igual que la mayoría de adsorbentes generados a partir de biomasa son biodegradables al final de su vida útil, pero teniendo en cuenta la neutralización de los compuestos químico o tóxicos.

En el estudio^[73], determinaron la viabilidad financiera del bioadsorbentes de fibra de coco modificado con NaOH, la producción estimada fue de $481874 con un precio de venta de $95 por tonelada indicando ventas anuales de $684000, un beneficio neta de $141118 y una rentabilidad sobre la inversión del 39,49 %, así como un periodo de retorno de la inversión de 2,95 años y un punto de equilibrio de 43,16 %; destacando que dicho adsorbente es una solución económica y ambientalmente sostenibles para reducir el impacto de los contaminantes en el agua residual. De igual manera, ^[74] analizaron los costos implicados en el desarrollo del adsorbente de cáscara de durian para la remoción de Marrón Básico 16, donde resaltaron que el costo específico de $172.71 por tonelada siendo de más bajo costo que el carbón activado cáscaras de melón dulce ($261.81 por tonelada). Asimismo, los autores indicaron ingresos anuales por venta de $62834 basados en una capacidad de producción anual de 240 toneladas de adsorbente, un costo operativo anual de $11960 y una rentabilidad anual de $41499; una eficiencia de inversión de 45.62 % y un periodo de retorno de 10 años. Finalmente, ^[75]y ^[76] describen el análisis económico de varios adsorbentes (cáscara de coco, cáscara de maní y cáscara de arroz) para la captura de colorantes básicos, especialmente, para el rojo básico 09; estimando costos de $0.055, $0.011 y $0.012 por gramo de adsorbente generado; donde el adsorbente derivado de la cáscara de maní mostró mayor capacidad de remoción y menor costo de producción aumentando la viabilidad económica para procesos de mayor escala en la eliminación de colorantes en aguas residuales.

A pesar de esto, el aumento de los costos e inversiones en el tratamiento de las aguas residuales y la gestión de los efluentes genera preocupación por la sostenibilidad económico-ambiental ^[77]. La recuperación de los adsorbentes al igual que los colorantes puede impulsar la viabilidad de los procesos, así como la reducción en el consumo desmedido de agua y contaminantes. Las aguas residuales que contienen, especialmente, colorantes y sustancias peligrosas requiere de tratamientos más especializados y, por ende, una mayor inversión financiera puesto que dependen de factores como equipos o ajusten en las plantas, catalizadoras y gastos operativos.

3.9.3 Exploración en contaminantes emergentes

Los contaminantes emergentes son sustancias químicas o biológicas que representan un riesgo potencial para la salud pública y los ecosistemas, especialmente los acuáticos, y que no son monitoreados comúnmente ^[78]. Estos se presentan en bajas concentraciones, su persistencia y efectos acumulativos generan preocupación en la actualidad ^[79]. Los contaminantes emergentes incluyen microplásticos (MP), colorantes, pesticidas, químicos disruptores endocrinos (EDC), productos farmacéuticos y de cuidado personal (PPCP), retardantes de llama y nanomateriales^[79]. La investigación de contaminantes emergentes se centra en la adsorción de antibióticos a partir de carbón activado (CA) comerciales y producido para la remoción de bisfenol A (BPA), amoxicilina (AMX) y paracetamol (PCM) como lo demuestran ^[80]–[82], no obstante, el elevado costo y dificultad de regeneración impulsan la búsqueda de alternativas más sostenibles. Del mismo modo,^[83]–[85] han empleado los biocarbones derivados de residuos agrícolas como las cáscaras, tallos y lodos, modificados y no modificados para la adsorción de BPA, clortetraciclina, sulfametoxazol (SMX), tetraciclina (TC), cefradina, ciprofloxacino (CIP) y atrazina (ATZ); un estudio ^[86]reportó la comparación de biocarbones basados de la cáscara de naranja y cáscara de maní para la adsorción de antibióticos (tetraciclina (TC), sulfametoxazol (SMZ) y amoxicilina (AMC)) mostrando gran relevancia en la remoción de TC bajo el tratamiento con KMnO4.

Asimismo, en diferentes estudios^[87]–[89], se han empleado los biocarbones para la adsorción y remoción de tintes los cuales han demostrado una alta capacidad para el azul de metileno, verde malaquita, violeta cristal y el rojo Congo; pero deben ser activados bajo procesos químicos (con KOH, NaOH, H₃PO₄, Fe/Mn, CuNO₃, entre otros), adición de nanopartículas (como Fe₃O₄, ZnO, nZVI), con el fin de aumentar la porosidad y la funcionalidad superficial^{[90], [91].} Finalmente, investigaciones como^[92]–[94]han reportado la aplicación de biocarbón magnético (Zn,  mg) o filtros con biocarbón activado derivados de diversas fuentes de biomasa como bagazo de caña de azúcar, paja de maíz, celulosa, serrín, corteza de pino y abeto en la adsorción de MP, especialmente, microesferas de poliestireno, microperlas de PE, PLA-MP (biodegradables) y microplásticos de polihidroxialcanoato (PHA-MP). En el contexto del crecimiento demográfico y, por ende, los volúmenes de contaminantes emergentes generados, se puede observar la baja aplicación de los residuos frutales en la generación de bioadsorbentes para la remoción de los mismos. Del mismo modo, en las investigaciones los modelos experimentales son variados, con diferencias significativas ya sea en condiciones del medio (pH, temperatura, fuerza iónica, grupos funcionales), la dosificación y/o concentraciones iniciales de los contaminantes, el tiempo de contacto o el método de agitación haciendo difícil la comparación directa de la eficiencia de los bioadsorbentes, y obtener con claridad los parámetros óptimos generales^[91]–[95].

3.9.4 Implicaciones prácticas y teóricas

Al examinar el análisis bibliométrico en el campo sobre de la utilización de residuos frutales como medio de adsorción de colorantes en aguas residuales ofrece aportes significativos permitiendo consolidar el área de estudio, se puede observar que los hallazgos permiten expandir los conocimientos, especialmente, en los procesos de adsorción física y química a través de modelos isotérmicos aplicados como Langmuir, Freundlich y la combinación de estos “Langmuir-Freundlich”. De igual manera, modelos cinéticos que van desde pseudo-primer como pseudo-segundo orden hasta el modelo de Elovich y la difusión intraparticular. Dentro de estos procesos se resalta la aplicación de conceptos fundamentales de la termodinámica como entalpía y entropía al igual que la función de energía libre de Gibbs buscando determinar si una reacción puede o no ser espontánea teniendo en cuenta el intercambio de calor y el desorden generado. El estudio teórico de los residuos frutales como medio de adsorción no solo impulsa el desarrollo de nuevo métodos de procesamiento y análisis de datos en el campo, sino que enriquece la teoría y reafirma la importancia de los análisis de caracterización como FTIR, SEM, TGA y XRD para entender la influencia que tiene la estructura y composición superficial en el comportamiento del adsorbente.

En la práctica, la implementación y/o aprovechamientos de los residuos frutales generados en el mundo como medio de adsorción de contaminantes fortalece el enfoque de sostenibilidad en el tratamiento de aguas residuales puesto que integra principios de la economía circular, la química verde y la valorización de los residuos, esto impulsa el desarrollo de métodos de tratamientos económicos, ecológicos y efectivos en lugares que tienen limitaciones en el acceso a tecnologías convencionales. Es así, que el aprovechamiento de estos residuos no solo permite reducir la carga o el impacto ambiental que se genera en la disposición final, sino que también contribuye a la disminución de costos en el tratamiento de las aguas residuales ofreciendo la transferencia de tecnologías, la generación de soluciones a escala piloto e industrial, al igual que el fortalecimiento de políticas públicas ambientales con un enfoque al uso sostenible de recursos. Finalmente, la investigación en el campo no solo mejora la comprensión teórica, sino que permite identificar mejoras prácticas, así como identificar oportunidades de cooperación internacional y construcción de redes colaborativas interdisciplinarias donde se integre la química ambiental, la ingeniería de procesos, agricultura sostenible y la ciencia de materiales.

4. CONCLUSIONES Y FUTURAS DIRECCIONES DE INVESTIGACIÓN

En este análisis se indagó la literatura científica de forma profunda y multidimensional que involucra la utilización de los residuos frutales como medio de adsorción de colorantes en el tratamiento de las aguas residuales en los últimos 12 años mediante el uso de herramientas gráficas para representar la evolución y las tendencias científicas de esta área en específico. Se determinó que la temática inicio fuertemente desde el año 2015, presentando una evolución significativa hasta la actualidad; con lo cual entendimos esta evolución del campo al revisar las colaboraciones internacionales, coincidencia de países, instituciones, autores, revistas y palabras claves. Gracias a esto, existe la posibilidad de considerar los obstáculos de la temática, así como cubrir las brechas en el campo del conocimiento. Por otro lado, se observó que países como China e india son los que más han intensificado las investigaciones en el campo, debido a que poseen una industria textil y de producción agrícola más desarrolladas, por lo lideran las redes de colaboración de centros de investigaciones y de autores.

Del análisis anterior, alcanzamos las siguientes conclusiones críticas: (1) los investigadores analizados buscan encontrar alternativas de bajo costo y de mínimo impacto ambiental para aplicar en los procesos de tratamientos de aguas residuales contaminadas con agentes colorantes, cerrando brechas entre las tecnologías tradicionales y los métodos experimentales actuales. Es así, que el desarrollo de nuevos compuestos, soluciones acuosas, bioadsorbentes o carbones activados derivados de residuos frutales ofrece la autonomía para analizar y controlar parámetros al igual que la eficiencia de los procesos de tratamiento relacionados con el uso práctico de estos, abriendo oportunidades al desarrollo de nuevos modelos o productos. (2) las investigaciones en el perfeccionamiento de las técnicas (espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier, la microscopía electrónica de barrido y la difracción de rayos X) han permitido tener una noción detalla sobre las características de los adsorbentes y su influencia en el proceso de adsorción de colorantes. (3) la implementación de modelos matemáticos (modelo de adsorción de Langmuir, pseudo-segundo orden y difusión intraparticular) para evaluar las variaciones en los parámetros termodinámicos y cinéticos que intervienen en los procesos permite no solo predecir el comportamiento superficial de las partículas en el proceso, sino que también comparar la cinética de adsorción entre diferentes materiales usados como coagulantes.

Las perspectivas futuras se pueden suponer en base a los resultados del análisis sobre la temática. Las posibles tendencias de investigación en los próximos años se enumeran a continuación: Para el desarrollo del campo se plantea la evaluación de los adsorbentes de bajos costos basados en residuos frutales enfocados en la adsorción de los fenoles, micro contaminantes orgánicos (OMP) y/o contaminantes emergentes. Además, el mejoramiento de los modelos cinéticos que faciliten el entendimiento de los mecanismos de los procesos y el comportamiento de adsorción. Por otro lado, se predice el cambio de técnicas espectroscópicas por métodos que tengan lugar a reacciones tanto de oxidación como de reducción (Fotocatálisis). Es, por ende, que se deben adelantar y crear colaboraciones internacionales (autores, redes de investigación, centros académicos y universidades) que favorezcan y prioricen la utilización de los residuos frutales como medio de adsorción de agentes colorantes en el tratamiento de las aguas residuales generando bioadsorbentes efectivos y de bajos costes.

Asimismo, es fundamental desarrollar metodologías y/o técnicas que permitan analizar, detectar y eliminar los colorantes de las aguas de forma simple y efectiva, especialmente, en países en desarrollo donde los modelos económicos prevalecen por encima de las políticas ambientales. Del mismo modo, es importante prestar atención a las características toxicas de estos agentes y sus efectos en el estado ecológico de los ecosistemas, así como en la salud pública; mediante la utilización de indicadores biológicos dado a la capacidad de respuesta a cambios en su hábitat. Finalmente, se deben incluir métodos de monitoreo integrales, técnicas de remediación innovadoras y políticas intersectoriales que permitan la conservación de los recursos naturales.

Agradecimientos

Este trabajo hizo parte del proyecto de investigación financiado por la Universidad Popular del Cesar seccional Aguachica con el Acuerdo No. 149 - 29 de diciembre de 2023: “Evaluación de la eficiencia del mamon común (Melicoccus Bijugatus) como biocoagulante en el tratamiento de aguas residuales domésticas en el municipio de Aguachica, Cesar – Colombia”.

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Notas

Notas de autor

rsaldanae@unicesar.edu.co

Información adicional

Cómo citar / How to cite: R. Saldaña-Escorcia, and D. A. Piña-Velásquez, “Revisión bibliométrica del tratamiento de las aguas residuales mediante residuos frutales como medio de adsorción de colorantes: una visión global,” TecnoLógicas, vol. 28, no. 64, e3455, 2025. https://doi.org/10.22430/22565337.3455

Información adicional

redalyc-journal-id: 3442

Enlace alternativo

https://revistas.itm.edu.co/index.php/tecnologicas/article/view/3455 (html)