La cáscara de plátano como adsorbente de metales pesados

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Saludos estimados amigos de steemit y de la comunidad científica de #stem-espanol.

La búsqueda constante de nuevos materiales adsorbentes como alternativa sustentable para el tratamiento de aguas residuales de origen industrial constituye el desafío del presente a fin de minimizar el impacto de las actividades antropogenicas sobre nuestro ambiente. Y hoy día existe una gran preocupación por la contaminación de efluentes industriales con altos niveles de metales pesados, debido a que estas sustancias tienen a persistir por un tiempo considerable en el ambiente comprometiendo el equilibrio del ecosistema y la salud de las personas que habitan sectores contaminados con estos, debido a su acumulación e ingreso en la cadena trófica^[1].

La contaminación del agua por metales pesados como el plomo se debe principalmente a las actividades industriales que descargan efluentes no tratados al suelo o a los cuerpos de agua, principalmente son generados por fabricas de pintura, la minería, fabricas de baterías, metalurgias y fundiciones, entre otras. El plomo está catalogado como un veneno acumulativo, tiene el efecto de producir anemia debido a que inhibe la producción de hemoglobina, produce afecciones al sistema nervioso, afecta los riñones y produce daño hepático y hasta del material genético^[2], y dada su toxicidad la Agencia de Protección Ambiental (EPA por sus siglas en inglés) lo ha catalogado como una de las 20 sustancias más peligrosas para la salud humana^[3].

Aunque existen muchas técnicas para la remediación de efluentes contaminados, el tratamiento de aquellos provenientes de procesos industriales que presentan un alto contenido de metales constituyen un reto para las biotecnologías, ya que por lo general se requiere añadir otros reactivos al medio para su eliminación, lo que lo vuelve un proceso costoso y poco amigable con el ambiente.

En este sentido, la bioadsorción ha tomado especial interés para la remoción de metales pesados de efluentes contaminados, ya que no solo se logra dar un tratamiento efectivo al efluente sino también permite dar uso y disposición a materiales que de otro modo se convierten en desechos, además de que resultan económicos y fáciles de adquirir.

La bioadsorción es un proceso fisicoquímico mediante el cual, biomasa no viva (ya que con el término biomasa se puede hacer referencia a la de origen natural proveniente de algas, hongos y residuos agroindustrial) capta por medio de diferentes mecanismos moléculas o iones de otras sustancias, acumulándolas sobre su superficie.

Por otro lado, la cáscara de plátano cuenta en su composición con hidroxila y carboxila de pectina, sustancias que han demostrado ser capaces de remover metales pesados^[4] mediante la fisisorción de sus iones desde soluciones acuosas. Por esta característica se ha considerado la cáscara de plátano como potencial bioadsorbente de metales pesados, y por ello queridos amigos he querido compartir en esta publicación parte de los resultados de la investigación del uso de la cáscara de plátano en la remoción de plomo. Los ensayos de adsorción se realizaron en sistemas tipo batch analizando el efecto de la biomasa sin modificación.

Son varios los detalles experimentales, por lo que voy a dividir el contenido en dos publicaciones, primeramente expondré la caracterización del bioadsorbente y luego los resultados de su evaluación en una columna de adsorción.

Preparación de la biomasa.

Las cáscaras de plátano fueron recolectadas de un establecimiento comercial dedicado a la elaboración de postres y comidas, seleccionando aquellas que se encontraban en óptimas condiciones de madurez para prevenir su rápida descomposición. Estas fueron lavadas con abundante agua destilada para eliminar restos de pulpa y cualquier impureza que pueda afectar el proceso. Posteriormente fueron secadas al sol para lego cortarlas pequeños trozos y secarlas en estufa a 80ºC durante 24 horas. Una vez secas, el tamaño de las mismas fue reducido por molienda, seleccionando las partículas de 400 µm por medio el tamizado de la muestra.

Preparación del polvo de la cáscara de plátano. Fuente: @emiliomoron.

Caracterización del bioadsorbente.

Características fisicoquímicas

Una vez preparado el material bioadsorbente procedimos a cuantificar algunas de las propiedades químicas presente en la cascara de banano, y determinar algunos de los parámetros físico-químicos de dichas cascaras que pueden influir en el proceso de adsorción. El polvo obtenido también fue caracterizado para determinar pH, densidad y su contenido de lignina y pectina, siguiendo para ello las siguientes técnicas.

Tabla nº1. Características físico-químicas de las cascara de plátano.

Los resultados obtenidos de la caracterización se muestran en la siguiente tabla.

Tabla nº2. Características físico-químicas de las cascara de plátano.

Como podemos observar, el sólido obtenido presenta un carácter ácido, esto se debe principalmente a la composición de la cáscara del plátano, dado que esta presenta grupos funcionales, principalmente grupos carboxílicos, en la pared celular, este es un parámetro muy importante a considerar debido a que otros estudios han revelado que bajos valores de pH restringen el acceso de los iones metálicos a los ligandos en la pared celular como resultado de fuerzas de repulsión, estas fuerzas son más intensas a bajos valores de pH (3-4)^[5], la densidad del polvo es comparable a la obtenida en otros estudios, y se encuentra dentro de los valores reportados^[6].

La cascara de banano es un compuesto lignocelulósico, que está compuesto principalmente de: celulosa, hemicelulosa y lignina, cuyas cantidades pueden variar según el origen del fruto^[7]. De la caracterización del polvo de la cáscara de plátano se puede observar que tienen buenas concentraciones de lignina y pectina, por lo que se tienen los grupos funcionales de estos compuestos que son mezclas de polímeros muy ramificados capaces de formar enlaces con iones metálicos^[8], lo que permite enlazarlos y retenerlos en la superficie del material.

Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR)

La finalidad de este análisis fue determinar los grupos funcionales presentes en la muestra que pueden influir en la adsorción de los metales de interés y además, conocer de forma general, la estructura química del bioadsorbente. En la siguiente figura se muestra el espectro FTIR de la muestra en estudio.

Espectro infrarrojo obtenido del polvo de la cáscara de plátano. Fuente: @emiliomoron.

El pico ancho mostrado en 3240,48 cm^-1 corresponde a las vibraciones O-H, debido al estiramiento de alcoholes, fenoles y ácidos carboxílicos presentes en la pectina, la celulosa y la lignina, lo que permite establecer la presencia de hidroxilos libres tal como se ha reportado en la literatura^[7]. El pico observado en 2919,73 cm^-1 puede ser atribuidas a vribraciones C-H de grupos metoxi, igualmente, el pico observado en 1729,21 cm^-1 corresponde al estiramiento carbonilo C=O que puede deberse a las vibraciones de los grupos carboxilos de la pectina y la lignina^[9]. Las vibraciones observadas en 1585 cm^-1 podrían estar relacionadas con las vibraciones del esqueleto aromático de la lignina, así como los encontrados en 1379,29 y 1242,31 cm^-1 se asocian con la hemicelulosa^[7]. En 1008,71 cm^-1 se evidencia una banda producto del estiramiento de enlaces C-O.

Determinación de las isotermas de adsorción, ensayos tipo batch.

Para determinar el tipo de equilibrio de adsorción se procedió a construir las isotermas del sólido mediante un análisis de adsorción empleando 30 mL de un agua sintética con concentraciones de iones Pb⁺² entre 10 y 100 ppm, preparadas a partir de nitrato de plomo Pb(NO₃)₂. A cada solución se le agregó 0,5 g del polvo de cáscara de plátano y se ajustó el pH a 5, luego se mantuvieron en agitación constante por 30 min, todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente.

Soluciones de agua sintética de Pb⁺² en contacto con el biadsorbente. Fuente: @emiliomoron

Acabado el tiempo de contacto, el bioadsorbente se separo de la solución mediante filtrado, y la concentración final del metal en la solución se determinó mediante espectrofotometría UV-VIS en longitud de onda (200 – 900) ± 0,001nm.

En la figura se muestra la isoterma de adsorción obtenida. Esta isoterma representa la capacidad de adsorción (q) de plomo expresado como mg de Pb⁺² por gramo de bioadsorbente a una determinada concentración de de equilibrio de la solución (Ce), y describen la interacción entre las moléculas del metal con la superficie del sólido adsorbente.

Isoterma de adsorción de Pb⁺² sobre el polvo de la cáscara de plátano. Fuente: @emiliomoron.

El estudio demostró que el bioadsorbente muestra un proceso descrito por una isoterma de tipo I, característica de sólidos microporosos. Con el propósito de establecer qué modelo de adsorción describe mejor la adsorción de plomo sobre el polvo de cáscara de plátano, los datos experimentales fueron tratados para evaluar su ajuste al modelo de Langmuir o Freundlich para isotermas de tipo I. En las siguientes figuras se muestran los resultados del ajuste a los modelos de isotermas.

Ajuste a los modelos de Langmuir y Freundlich de la adsorción de Pb⁺² sobre el bioadsorbente. Fuente: @emiliomoron.

De los resultados obtenidos se puede observar que la adsorción de iones plomo sobre el polvo bioadsorbente se ajusta mejor al modelo de Langmuir (R²=0,992), lo que indica que el sólido presente una superficie homogénea que tiende a cubrirse con una capa de moléculas de espesor monomolecular, en el cual, al saturarse la superficie se inhibe el proceso de adsorción.

En función del modelo de Langmuir se puede determinar el volumen máximo de adsorción de plomo por masa de bioadsorbente, siendo esta de 161,03 mg/g cuando se emplea 0,5 g de polvo de cáscaras de plátano por 30 mL de solución, limitándose a la formación de una monocapa. Y mediante estos ensayos en discontinuo se obtuvo una remoción de plomo entre 60 y 80% para las diferentes concentraciones, siendo mayor la remoción a más baja concentración de metal en solución.

Aportes de la publicación

Se pudo determinar mediante el análisis de FTIR la presencia de grupos funcionales en el sólido que favorecen el proceso de bioadsorción de metales pesados, ya que estos tienen la capacidad de formar enlaces con iones metálicos.

Mediante la investigación también se pudo determinar el tipo de isoterma que caracteriza el proceso de adsorción sobre este tipo de material.

En base a los resultados obtenidos se puede concluir que el polvo obtenido de la cáscara de plátano tiene un gran potencial para ser empleado en la biorremediación de efluentes contaminados con plomo.

Consideraciones finales

Metales como el plomo tienen un fuerte efecto sobre la salud humana, y no solo esto, sino que también afectan de forma considerable el ecosistema donde se acumulan, pues si bien los metales pesados los podemos encontrar de forma natural en el ambiente, la velocidad y la cantidad en la que son generados por las actividades industriales simplemente sobrepasa la capacidad de asimilación de cualquier ecosistema; por ello la contaminación por este tipo de elemento es un motivo de especial atención, y debido a su elevada toxicidad es sumamente necesario que se controle su impacto sobre el ambiente, ya que viene a repercutir en la salud y bienestar del hombre.

Bueno amigos, hasta aquí la presente publicación, espero haberles traído información de interés que brinde un aporte a sus conocimientos, y si desean consultar otros artículos de calidad en áreas de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas (STEM) en nuestro idioma español pueden hacerlo visitando la etiqueta #stem-espanol. ¡Hasta la próxima!

Referencias

Tejada-Tovar, C.; Villabona, A.; Garces, Luz. (2014). Adsorción de metales pesados en aguas residuales usando materiales de origen biológico. Tecno Logicas, vol 19, nº 34, pp 109-123.
Rey, A.; Cuellar, L.; Maldonado, G.; Suardiaz, M. (2016). Efectos nocivos del plomo para la salud del hombre. Rev Cubana Invest Bioméd vol.35 no.3.
Viscaino, L.; Fuentes, N.; Gonzalez, H. ( 2017). Adsorción de plomo (II) en solución acuosa con tallos y hojas de Eichhornia crassipes. Revista actualidad y divulgación científica 20(2), pp 435-444.
Conde, C.; Dávila, P.; Rojano, M., Sánchez, A. (2018). Cáscara de plátano como adsorbente de metales pesados. III Congreso Nacional del Cambio Climático. México.
Muños, J. (2007). Biosorción de plomo (II) por cascaras de naranja “citrus cinensis” pretratada. Facultad de química, Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Lima-Perú.
García, A. (2016). Elaboración de una bioresina intercambiadora de cationes a partir de la cáscara de platano o guineo para eliminar metales pesados en agua contaminada. Informe de investigación, escuela de ingeniería química ITCA-FEPADE. El Salvador.
Castro, B. (2015). Uso de la cáscara de banano (Musa paradisiaca) maduro deshidratada como proceso de bioadsorción para la retención de metales pesados, plomo y cromo en aguas contaminadas. Tesis de maestría, Universidad de Guayaquil.
Sanga, Y.; Wilson, W. (2007). Remoción de metales pesados utilizando la pectina como material biodegradable. Tesis de maestría, Universidad Nacional del Altiplano.
Tejada-Tovar, C. Herrera, A., Nuñez, J. (2016). Remoción de plomo por biomasas residuales de cáscara de naranja (citrus sinensis) y Zuro de maíz (Zea mays). Revista actualidad y divulgación científica. 19 (1), pp. 169-178.