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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.3 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000300003 

 

Información Tecnológica-Vol. 17 N°3-2006, pág.: 9-14

MEDIO AMBIENTE

Evaluación de Carbón Activado Producido a partir de Lodo Generado en una Planta de Tratamiento de Aguas Servidas

Production and Evaluation of Activated Carbon from Sludge Generated in a Sewage Treatment Plant

Hilda A. Moreno (1), Carmen V. Droppelmann (2)* y María E. Verdejo (1)
(1) Universidad Tecnológica Metropolitana, Dpto. Prevención de Riesgos y Medio Ambiente, Dieciocho 390, 4° Piso, Santiago-Chile.
(2) Universidad Andrés Bello, Facultad de Ecología y Recursos Naturales, República 275, 2° piso, Santiago-Chile (e-mail: vdroppelmann@unab.cl).

* autor a quien debe ser dirigida la correspondencia


Resumen

En este trabajo se evaluó el carbón activado producido a partir de lodo generado en una planta de tratamiento de aguas servidas. El lodo utilizado proviene de un lodo activado tipo aireación extendida y la transformación fue realizada mediante un proceso de activación química con cloruro de zinc y pirólisis. La pirólisis se realizó a diferentes temperaturas (550, 600, 650°C) y tiempos (30, 45 y 60 minutos). El rendimiento en carbón obtenido fluctuó entre el 42 y 66%, registrándose el mayor rendimiento a la temperatura de 550°C. La capacidad de adsorción, para el carbón activado obtenido, evaluada mediante la constante de adsorción lineal, para el colorante cristal violeta, fluctuó entre los 0,05 y 0,132 L/g. De acuerdo a esto, el mejor carbón se obtuvo cuando la temperatura de pirólisis fue de 650 °C. No resulta estadísticamente significativo el efecto del tiempo de pirólisis, en la constante de adsorción lineal.

Palabras claves: carbón activado, aguas servidas, adsorción, activación química


Abstract

This study evaluated the activated carbon produced from the sludge generated in a sewage treatment plant. The sewage sludge used came from an extended aeration plant, and the transformation was carried out by means of a process of chemical activation with zinc chloride and pyrolysis. Pyrolysis was done at different temperatures (550, 600, 650°C) and times (30, 45 and 60 minutes). The yield of the carbon obtained fluctuated between 42% and 66%, with the highest yield recorded at 550°C. The adsorption capacity for the activated charcoal obtained, evaluated by means of the constant of linear adsorption for the dye crystal violet, fluctuated between 0,05 and 0,132 L/g. According to this, the best charcoal was obtained when pyrolysis temperature was 650°C. The effect of the pyrolysis time on the constant of linear adsorption was not statistically significant.

Keywords: activated carbon, sewage sludge, adsorption,  chemical activation


INTRODUCCIÓN

En los últimos años, en Chile se ha incrementado el número de plantas de tratamiento de aguas servidas, pasando de un 8% de cobertura de tratamiento en 1989 a un 66% en 2003, proyectándose  al 2009  un 98% de cobertura (SISS, 2003); esto trae consigo un considerable aumento en los volúmenes de lodos generados y la necesidad de definir diversas posibilidades de uso.

Entre las alternativas de revalorización del lodo, suele nombrarse su uso como mejorador de suelos, alternativa que con el transcurso del tiempo se ha hecho cada vez menos viable debido a que  la normativa que regula su disposición, es  cada vez más restrictiva. Entre otras alternativas  está la posibilidad de usar el lodo como materia prima para la fabricación de  carbón activado y este utilizarlo a su vez en la remoción de contaminantes.

El primer paso para la obtención de carbón activado es la carbonización o pirólisis de la materia, proceso que se realiza a temperaturas entre los 500 y 700°C. El segundo paso, la activación, se puede llevar a cabo gracias al uso de gases como aire, vapor de agua o dióxido de carbono a temperaturas entre 800 y 1000°C. También se puede activar el carbón realizando la pirólisis en presencia de agentes químicos, como el cloruro de zinc o el ácido fosfórico (Alley, 2001).

El carbón activado, generado a partir de lodos provenientes de plantas de tratamiento de aguas residuales ha sido probado como buen adsorbente para remover diversos contaminantes: H2S (Lu y Lau, 1996; Jeyaseelan y Lu, 1996), compuestos orgánicos volátiles (Chiang y You, 1987; Rio et al., 2005), los colorantes azul de metileno (Graham et al., 2001; Rozada et al., 2003; Pikkov et al., 2001)  y cristal violeta (Graham et al., 2001, Otero et al., 2003),  fenol (Tay et al., 2001; Chen et al., 2002; Calvo et al., 2001, Pikkov et al., 2001; Rio et al., 2005)  tetracloruro de carbón (Chen et al., 2002), safranina (Rozada et al., 2003),  xilidina (Pikkov et al., 2001), aminas (Pikkov et al., 2001), mercurio (II) (Zhang et al., 2005) y cobre (Rio et al., 2005) entre otros.

Para la producción de carbón activado a partir de lodo, todos los autores consultados, utilizan activación química.  Lu y Lau (1996) usando lodo generado en una planta municipal, logran mayor área superficial y mayor área de microporos utilizando como activador ZnCl2 respecto a H2SO4. Por otro lado   Zhang et al., (2005) logran una mayor adsorción de mercurio en carbón activado generado a partir de lodo orgánico, cuando la activación se realiza con ZnCl2 respecto a cuando se realiza con H3PO4 y H2SO4.

En la Tabla 1 se registran  condiciones óptimas de pirólisis y de concentración de ZnCl2 reportados en la literatura.

Las isotermas de adsorción relacionan la concentración en equilibrio del soluto en el adsorbente (q) y en la fase fluida (c), describiéndose  en la Tabla 2 las isotermas más comunes.

Otero et al., (2003) ensayan la adsorción de cristal violeta en carbón activado generado a partir de lodo doméstico estabilizado anaeróbicamente, estos autores usan como agente activador H2SO4 y pirolisan por 30 minutos a 625°C, de acuerdo a las isotermas por ellos reportadas, para carbón con un tamaño de partícula entre 0,12 y 0,5 mm a 25°C obtienen una constante de adsorción lineal de 0,18 L/g.

Tabla  1: Condiciones óptimas de pirólisis y de concentración de ZnCl2

Tipo de lodo

Intervalo  de temperatura de pirólisis (0C)

Intervalo  tiempo de pirólisis (h)

Intervalo  de concentración de ZnCl(M)

Condiciones para mayor área superficial

Condiciones para mayor área de poros

Autores

Doméstico

440-950

0,3-3,0

1-7

650°C, 2 h, 5M

650°C, 2h, 3M

Lu y Lau,
(1996)

Doméstico

400-900

0,3-1,0

0,5-4

850°C, 1 h, 3M

-

Zhai et al., (2004)

Petroquímica

400-700

0,17-1,0

0-5

600°C, 0,5 h, 3M

-

Chiang et al., (2003)

Tabla 2: Isotermas más comunes (Belter et al., 1988)

Isoterma

Ecuación

Lineal

Freundlinch

Langmuir

En este trabajo se obtuvo y caracterizó carbón activado producido a partir de lodo generado en una planta de tratamiento de aguas servidas. La caracterización de este se realizó por su capacidad de adsorción de cristal violeta, colorante usualmente utilizado en la industria textil (Bhole et al., 2004).

Entre los contaminantes que contienen los efluentes de las empresas textiles están los colorantes. Estos representan, incluso a bajas concentraciones, un importante impacto en los cuerpos de agua (Vinod y Anirudhan, 2003). El color genera problemas estéticos y al reducir la penetración de la luz, produce una disminución de los procesos fotosintéticos (Bhattacharya y Venkobachar, 1997).

Para la remoción de  colorantes desde aguas residuales el método más usado es la adsorción y el adsorbente de mayor uso es el carbón activado (Yu-Liyeh, 1995).

EXPERIMENTAL

Los lodos utilizados en este estudio fueron producidos  en un lodo activado de aireación extendida y provinieron de la planta de tratamiento de aguas servidas APB N°1 que procesa las aguas del Aeropuerto Internacional Arturo Merino Benítez de Santiago de Chile.

Como patrón de comparación se utilizó carbón activado comercial de lignito “Hydrodarco” de una granulometría entre 1,4 y 2,4 mm y un área superficial en el intervalo de 600-650 m2/g.

Para la elaboración del carbón activado se siguieron los siguientes pasos: Se secó  el lodo a 105°C hasta peso constante. Se activó químicamente con ZnCl2, por cada gramo de lodo seco se adicionaron 2 mL de una solución 3M de ZnCl2 y se mezclaron por 24 horas. Se secó  a 105°C hasta peso constante. Se tomaron muestras de  50 g y se pirolizaron en una mufla que opera en forma batch, con una velocidad de calentamiento de 10 °C/min, sin utilizar gas de arrastre. Esta pirólisis se realizó a tres temperaturas (550, 600 y 650°C) y tiempos distintos (30, 45 y 60 minutos). Cada muestra de carbón obtenido se lavó con 100 mL de HCl  concentrado (37%) a 30°C manteniendo en agitación por 6 horas. Se filtró y lavaron las muestras con agua destilada hasta alcanzar una conductividad eléctrica de 10-15 mS. Se secó a 105°C hasta peso constante. Se tamizó y se seleccionó el carbón que quedó entre los tamices de 10 y 12 mesh y se mantuvo en desecador. El rendimiento  se calculó considerando la masa de carbón activado obtenida respecto al peso seco del lodo usado.

La capacidad de adsorción del carbón activado  se determina en sistema batch, mediante isotermas de adsorción a 20°C. El tiempo al que se alcanza el equilibrio se determina  por prueba cinética (Bhole et al., 2004) en una muestra de 100 mL de solución de cristal violeta (5 mg/L) en presencia de 1 g de carbón activado preparado mediante pirólisis a 600°C por 30 minutos. La concentración de cristal violeta se mide por absorbancia a 590 nm.

Para obtener los puntos correspondientes a las distintas isotermas de adsorción se mezcló durante el tiempo necesario para llegar a equilibrio, 1 g de carbón activado con 100 mL de soluciones de cristal violeta a distintas concentraciones (8; 7,5; 5  y 2 mg/L). Se filtró y se midió la concentración de cristal violeta en el líquido. La concentración en el carbón se calculó mediante balance de masa (ecuación (1)). Los puntos de la isotermas de determinan por duplicado.

cFV = cV+qM

(1)

Para determinar el tipo de isoterma que mejor representa los datos experimentales, se correlacionaron los datos en equilibrio, para cada tipo de carbón, a las isotermas lineal, de Freundlich y de Langmuir. Para la isoterma lineal se correlacionó q versus c, para la de Freundlich  ln (q) versus ln(c) y para la de Langmuir 1/q versus 1/c, optándose  por la isoterma que  presentará un mayor coeficiente de determinación.

RESULTADOS Y DISCUSION

El rendimiento del carbón activado obtenido (Figura 1) depende de las condiciones de la pirólisis, lográndose, como era de esperarse,  el máximo rendimiento en las condiciones de proceso más suaves. Los rendimientos obtenidos son algo mayores que los reportados   por Chiang et al., (2003) al operar en similares condiciones de pirólisis, esto se atribuye a que esos investigadores usan lodo no digerido.

Como puede verse en la Figura 2, de acuerdo a la prueba cinética realizada, el tiempo de equilibrio está en torno a los  10 minutos.

En la Figura 3 se muestra la isoterma obtenida con el carbón activado generado mediante pirólisis a 650°C  y 45 minutos.

Fig. 1: Rendimiento de lodo en carbón activado a las distintas temperaturas y tiempos de pirólisis.

De acuerdo a los coeficientes de determinación obtenidos, los datos de las isotermas se ajustan mejor a un modelo lineal que al de Freundlich o de Langmuir. En la Tabla 3 se muestran las constantes de adsorción (lineal) obtenidas para las distintas condiciones de pirólisis. La mayor constante de adsorción (0,132 L/g) se obtiene cuando se adsorbe el cristal violeta con carbón activado obtenido por pirólisis a 650°C por 45 minutos. Es interesante hacer notar que las constantes de adsorción obtenidas, no difieren  en el orden de magnitud, respecto de las logradas por Otero et al., (2003), autores que también evalúan el comportamiento de carbón activado generado a partir de lodo como adsorbente de cristal violeta.

Las constantes de adsorción lineal obtenidas, de acuerdo a un análisis de correlación lineal, previa verificación de normalidad (p<0,05),  resulta estadísticamente dependiente de la temperatura de pirólisis y no del tiempo de pirólisis.

Tabla 3: Constantes de adsorción obtenidas

Temp. de pirólisis, °C

Tiempo de pirólisis, min

Constante de Adsorción L/g

r2 (p<0,01)

550

30

0,048

0,974

550

30

0,051

0,976

550

45

0,059

0,965

550

45

0,054

0,933

550

60

0,066

0,923

550

60

0,066

0,989

600

30

0,067

0,987

600

30

0,077

0,987

600

45

0,075

0,974

600

45

0,086

0,974

600

60

0,111

0,974

600

60

0,096

0,952

650

30

0,119

0,990

650

30

0,124

0,923

650

45

0,132

0,939

650

45

0,132

0,947

650

60

0,120

0,989

650

60

0,117

0,927

Comercial

 

0,193

0,972

Comercial

 

0,231

0,963


Fig. 2: Cinética de la adsorción.


Fig. 3: Isoterma para cristal violeta y carbón activado generado mediante pirólisis a 650°C por 45 minutos. Los símbolos u y ¢ se utilizan para diferenciar cada duplicado.

Es importante señalar que el carbón obtenido presenta gran fragilidad,  lo que no permitiría, al menos directamente, su uso en columnas de adsorción.

CONCLUSIONES

Es técnicamente posible generar un carbón activado a partir de lodo de planta de tratamiento de aguas servidas capaz de adsorber en forma eficiente cristal violeta.

En las condiciones de trabajo se logra un rendimiento máximo en masa de carbón activado  del 66% y un mínimo del 42% con relación al lodo seco.

La isoterma  que mejor representa los datos experimentales fue la lineal, siendo las constantes de adsorción dependientes de la temperatura  y no del tiempo de proceso.

La mayor constante de adsorción (0,132 L/g) se obtuvo al pirolisar el lodo a 650°C por 45 minutos.

NOMENCLATURA

q:

Concentración en equilibrio de adsorbato en el adsorbente, masa adsorbato/masa adsorbente

c:

Concentración en equilibrio de adsorbato en el fluido, masa adsorbato/volumen solución.

cF:

Concentración de adsorbato en el fluido antes de la adsorción, masa adsorbato/volumen solución.

kE:

Constante de adsorción lineal, volumen solución/masa masa de adsorbente.

kF:

Constante de adsorción de Freunlinch, (masa adsorbato)1-n  (volumen de solución)n/masa adsorbente.

n:

Constante empírica de la ecuación de Freunlinch, adimensional.

q0:

Constante empírica de la ecuación de Langmuir, masa adsorbato/masa adsorbente.

kL:

Constante empírica de la ecuación de Langmuir, masa adsorbato/volumen solución.

V:

Volumen de fluido

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