ES2430248B2 - Proceso para la preparación de turba inmovilizada - Google Patents

Abstract

Proceso para la obtención de un bioadsorbente consistente en turba o material análogo a la turba inmovilizada en esferas de alginato cálcico, destinadas al tratamiento de aguas, la utilización de turba (o cualquier otro material vegetal con características similares a la turba) inmovilizada en esferas de alginato cálcico es una alternativa a otros productos más costosos como resinas de intercambio iónico o más difíciles de manejar como el carbón activo para el tratamiento de aguas contaminadas. Destacar que la turba es un producto amigable con el medio ambiente, biodegradable y que tras su inmovilización puede ser fácilmente manejable para su uso en el tratamiento de aguas.

Description

Proceso para la preparación de un bioadsorbente basado en turba o material análogo a la turba inmovilizado

Sector de la técnica

El producto que se obtiene es de aplicación inmediata en empresas relacionadas con la obtención de turba o con aquellas empresas dedicadas a la obtención de abonos en forma de materia vegetal biodegradada con unas características similares a la turba, ya que les pennitiría obtener una nueva línea de producto, con gran aplicación en el tratamiento de aguas con una elevada carga de compuestos coloreados, como pueden ser aguas procedentes de las industrias vitivinícolas o del sector textil.

Estado de la Técnica

Tanto empresas nacionales como grandes conglomerados internacionales compiten en la carrera por desarrollar productos amigables con el medioambiente. Muchas industrias como las pertenecientes al sector textil, sector vitivinícola industrias papeleras, consumen enormes volúmenes de agua y como resultado de ello generan a su gran cantidad de agua contaminada con compuestos coloreados, la mayoría de las veces altamente fitotóxicos, como por ejemplo las vinazas procedentes de las industrias vitivinícolas (paradelo et al., 2009). Otros compuestos coloreados además pueden ser altamente carcinogénicos y afectar a ecosistemas acuáticos (O'Neill et al., 1999; Vandevivere et al., 1998). Además algunos compuestos coloreados son perceptibles a concentraciones menores de 1ppm generando Wl impacto visual no deseable (Robinson et al., 2001; Banat et al." 1996). Los compuestos coloreados son altamente hidrofIlicos por 10 que se encuentran con frecuencia en las aguas residuales (Pearce et al., 2003; Robinson et al., 2001). Cada vez es más restrictiva la concentración de estos compuestos en los efluentes industriales, por lo que se hace necesaria la búsqueda de nuevos productos amigables con el medio ambiente, de fácil manejo y de bajo coste que permitan la eliminación de este tipo de compuestos. Muchos compuestos coloreados son recalcitrantes, no biodegradables y estables a la luz, al calor así como a agentes oxidantes por lo que hay que buscar distintas alternativas para su eliminación. La adsorción es la operación básica más utilizada para el tratamiento de aguas residuales con elevado contenido en compuestos coloreados. En la mayoría de estos procesos se utiliza carbón activo inmovilizado, el cual aunque ha sido considerado por la Agencia de Protección del Medio Ambiente americana como uno de los mejores productos del mercado para el tratamiento de aguas, este presenta Wl elevado coste, siendo necesario la búsqueda de adsorbentes alternativos de bajo coste. La utilización de turba inmovilizada en el tratamiento de aguas contaminadas con compuestos coloreados constituye una técnica innovadora amigable con el medio ambiente y que puede sustituir a otros adsorbentes más costosos y más dificiles de manejar, como el carbón activo, en el tratamiento de aguas contaminadas con compuestos coloreados. Además la turba a diferencia del carbón activo no necesita ser sometida a Wl proceso de activación (Anjaneyulu el al., 2005). La turba es un compuesto natural de naturaleza lignocelulósica, que contiene lignina, celulosa y ácido húmicos y fúlvicos. Además presenta carácter polar por lo que presenta gran capacidad de adsorción de metales y compuestos polares. La capacidad de adsorción de la turba ha sido demostrada por numerosos investigadores. La turba ha sido probada principalmente como adsorbente de metales y compuesto coloreados en el tratamiento de aguas (Allen 2004; Ho and MacKay, 1998; Ho and Mackay 2003; Sun and Yaog, 2003; Ramakrishna aod Viraraghavan" 1997; Poots et al., 1976; Paradelo et al., 2009), aunque su utilización directa tiene varios inconvenientes como el incremento de partículas en el agua y su dificil manejo, por lo que es interesante buscar nuevas formas de presentación de este producto que pueda facilitar su aplicación en el tratamiento de aguas . Sun y Yang (2003) propuso la utilización de resina mezclada con turba, mediante la oxidación de la turba y su mezcla con alcohol de polivinilo y formaldehido con una capacidad de adsorción de 400-350 rng/g en función del colorante utilizado. Jeffers et al., 1991 investigó la inmovilización de la turba, utilizando polisulfone y N,Ndimeilfonnamida para la eliminación de metales pesados a partir de aguas cotaminadas. En este proceso se plantea la inmovilización de la turba en esferas de alginato cálcico, material biodegradable ampliamente utilizado en el inmovilización de células microbianas, con lo que ,se pretende obtener un adsorbente con gran espectro de aplicación en el tratamiento de aguas residuales altamente coloreadas.

Explicación de la invención

1: Breve explicación de la invención Se propone la obtención de un producto consistente en turba (masa esponjosa y ligera en la que aún se aprecian los componentes vegetales que la originaron) o abono orgánico, inmovilizado en esferas de alginato cálcico, para el tratamiento de aguas residuales que contengan compuestos coloreados o metales, como producto alternativo a otros más costosos o de dificil manejo como pueda ser el carbón activo. El procedimiento para la obtención de este producto se concreta en:

1.

Secar la turba o el abono orgánico hasta obtener humedad menor del 4 %, para

facilitar su molienda. En cualquier caso se tendrá en cuenta la humedad de la

turba, a la hora de fonnular la disolución de alginato sódico.

II.

Moler la turba o el abono orgánico hasta un tamafto de partícula menor de 0,4 mm.

III.

Mezclar entre 0,5-2 % de turba con 1-5 % de alginato sódico.

IV.

Añadir la mezcla anterior a una disolución de cloruro cálcico entre 0,05-0,9 M,

bombeando

con un caudal constante que pennita la fonnaci6n de esferas de

alginato cálcico más o menos homogéneas, que contendrán la turba o el abono

orgánico y fonnándose a su vez cloruro sódico.

V.

Obtener la turba o el abono orgánico inmovilizado tras filtrar la disolución de

cloruro sódico del paso anterior y que contiene la turba o el abono orgánico

inmovilizado en esferas de alginato cálcico.

VI.

Lavar la turba inmovilizada con agua caliente

VII.

Guardar la turba o el abono orgánico inmovilizado en una disolución de cloruro

sódico 0,051-0,9 M para su conservación.

2: Explicación detallada de la invención

Esta invención se basa en la obtención de turba o abono orgánico inmovilizado en esferas de alginato cálcico para el tratamiento de aguas coloreadas. Para ello es importante utilizar la cantidad adecuada de turba o abono orgánico, alginato sódico y cloruro cálcico que pennita la correcta inmovilización de la turba o del abono orgánico y posterior adsorción de los compuestos coloreados sobre el sustrato inmovilizado.

2.1 Acondicionamiento de la turba

Antes de inmovilizar la turba o el abono orgánico es importante eliminar la humedad de la misma. secándola al aire hasta obtener un porcentaje de humedad que permita su molienda. Posteriormente es necesario homogenizar la turba o abono orgánico, moliéndola hasta obtener un tamaño de partícula menor de 0,4 nun.

2.2 Composición de la turba

Se ha utilizado turba comercial con la siguiente composición:

pH (CaCI,

5,0-6,5

Contenido en sal (KCI) gil.

<3~O

200-450 mWl NitTÓ~eno (N)

Contenido en abono (nutrientes solubles)

200-500 rng!L Fosfato (P,O,)

300-550 rng!L Oxido de potasio (K,D)

Contenido básico

Turba, Perlita, Agrosil, cal y elementos nutrientes

2.3 Inmovilización de la turba

10 Para inmovilizar la turba esta se mezcló con diferentes disoluciones de alginato sódico 15 % Yposterionnente la mezcla se añadió gota a gota utilizando una bomba Masterflex a una disolución de cloruro cálcico entre 0,051-0,9 M. El proceso de inmovilización de la turba se llevó a cabo a temperatura ambiente.

15 2.4 Almacenamiento de la turba inmovilizada Una vez la turba ha sido inmovilizada esta se lava con agua y se almacena en cloruro sódico 0.9 M.

Ejemplo de realización de la invención 20 Para la inmovilización de la turba o abono orgánico se necesitan 3 componentes esenciales:

a.

turba o abono orgánico

b.

alginato sódico

c.

cloruro cálcico

25 Estrategia llevada a cabo para obtener las condiciones oplimas de la turba inmovilizada

Las condiciones óptimas de la inmovilización de la turba se obtuvieron llevando a cabo un diseño factorial incompleto donde las variables independientes evaluadas fueron la concentración de turba (XI); la concentración de alginato sódico (X2) y la concentración 30 de cloruro cálcico (Xl), mientras que las variables dependientes evaluadas fueron la disminución en la absorbancia a 620 nm (YI), 520 nm (Y2), 420 nm (Y3) y 280 nm (y,), intensidad del color (/'5), tonalidad del color (Y6), intensidad del colorante (Y7), luminosidad del color L (y,), a' (y,), b' (YIO), e"b (YII) y el tono del color H .. (YI21-En la Tabla 1 se muestran las variables independientes estudiadas, asi como el rango de

35 estudio utilizado. Para el análisis estadístico de los datos se utilizó el programa estadístico STAT BASIC donde las variables independientes se introdujeron de forma codificada para facilitar el análisis de las mismas a la hora de saber cual de ellas es más significativa. Por otra parte en la Tabla 2 se recogen los resultados experimentales obtenidos. Tras el tratamiento estadístico de los datos se ha observado que las variables

40 independientes más influyentes en el rango estudiado son Xl y X) que corresponden con el porcentaje de turba y con la concentración de cloruro cálcico respectivamente, siendo la cantidad de alginato sódico la variable menos influyente en la elaboración de la turba inmovilizada. Además la Tabla 3 y Tabla 4 muestran los coeficientes estadísticos obtenidos tras el tratamiento de los datos los cuales tras ser sustituidos en la ecuación 1, permite el cálculo de las variables dependientes para cualquiera que sea el valor de las variables independientes en el rango de estudio establecido.

En la Tabla 2 se muestra también los valores de e2 obtenidos para cada lUla de las variables dependientes estudiadas, que da cuenta de cuanto se desvían los resultados experimentales frente a 105 predichos por el modelo. Se ve que en todos los casos se

10 obtienen valores de'¡' mayores de 0.95 (excepto para Y6 que se obtiene un'¡' de 0.86). Tras el estudio de los datos se se deduce que concentraciones bajas de alginato sódico, así como elevadas concentraciones de cloruro sódico e intermedias condiciones de turba en el rango estudiado conducen a buenos resultados en la eliminación de compuestos coloreados de las vinazas.

15 Ejemplo de realización de la invención Se parte de un 0,5-2 % de turba o abono orgánico y de un 1-5 % de alginato sódico, que se mezclan y se dejan caer gota a gota en una disolución de cloruro cálcico 0,051-0,9 M formándose esferas de alginato cálcico que contienen a la turba o abono orgánico (Figura

20 1). Para estudiar la efectividad de la turba inmovilizada a la hora de eliminar los compuestos coloreados de aguas residuales, se utilizaron vinazas procedentes de la industria vitivinícola con una fuerte carga de color y se pusieron en contacto con turba inmovilizada. La Figura 2 muestra una foto de las vinazas antes del tratamiento con el

25 bioadsorbente (tubo de la izquierda) y después del tratamiento con el bioadsorbente (tubo de la derecha). Los experimentos de adsorción se realizaron en discontinuo con una relación de turba irunovilizada:vinaza 1: 1; a temperatura ambiente y con una agitación de 75 rpm. Se tomaron muestras a distintos tiempos (lh, 6h Y 24 h). Las variables dependientes analizadas para evaluar la eficacia del proceso se basaron en

30 mediciones con un espectrofotómetro a distintas longitudes de onda: 620, 520 Y 420 a partir de las cuales se pueden calcular distintos índices de coloración y 280 que da cuenta de la cantidad de compuestos fenólicos que puede haber en un agua de esta naturaleza. También se llevaron medidas de color utilizando un programa de Análisis de Color que lleva incorporado el espectro fotómetro Jasco V -650 Y obteniéndose distintos parámetros

35 basados en el método CIELAB; que determinan la carga de compuestos coloreados que tiene un agua problema (L-, a-, b·, e·ab• Hab)

En la Tabla S se muestran los valores de las variables dependientes evaluadas en la

vinaza inicial, asi como los resultados obtenidos tras el tratamiento de estas vinazas con

turba inmovilizada elaborada en unas condiciones intermedias del rango estudiado, que se

40 pueden considerar como óptimas (1.25 % de turba, 1% de alginato; cloruro cálcico 0.9M).

La Figura 2 muestra la reducción de color alcanzada bajo estas condiciones de

formulación del bioadsorbente.

Referencias

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Claims (5)

1. REIVINDICACIONES

   1. Proceso para la preparación de un bioadsorhente basado en turba o material análogo a la turba movilizado en esferas de alginato cálcico, caracterizado por comprender las siguientes etapas:
2. 3. Determinar la humedad de la turba o material análogo a la turba para calcular la concentración de alginato sódico que debe contener la disolución de turba o material análogo a la turba.

   b.

   Moler la turba o material análogo a la turba hasta un tamaño de partícula menor de 0,4 mm.

   C.

   Mezclar entre un 0,5-2 % de turba seca o material análogo a la turba seco con 1-5 % de alginato sódico.

   d.

   Añadir la mezcla anterior a una disolución de cloruro cálcico entre 0,0510,9 M, bombeando con un caudal constante que permita la formación de esferas de alginato cálcico, que contendrán la turha o material análogo a la turba y fonnándose a su vez cloruro sódico.

   e.

   Obtener la turba o material análogo a la turba inmovilizado tras filtrar la disolución de cloruro sódico del paso anterior y que contiene la turba o material análogo a la turba inmovilizado en esferas de alginato cálcico.

   f.

   Lavar la turba o material análogo a la turba con agua caliente.

   g.

   Guardar la turba o material análogo a la turba en una disolución de cloruro cálcico 0,9 M para su conservación.

3. 2.

   Proceso para la preparación de un bioadsorbente basado en turba o material análogo a la turba inmovilizado en esferas de alginato cálcico, según reivindicación 1, en el que el material análogo a la turba es un abono orgánico.

4. 3.

   Proceso para la preparación de un bioadsorbente basado en turba o material análogo a la turba inmovilizado en esferas de alginato cálcico, según reivindicación 1, en el que el material análogo a la turba es cualquier resto vegetal que haya sufrido un proceso de degradación similar a la turba.

5. 4.

   El uso de un bioadsorbente basado en turba o material análogo a la turba inmovilizado en esferas de alginato cálcico, según reivindicaciones 1-3, como adsorbente para el tratamiento de aguas residuales.

   ES 2 430 248 Al Tabla l . Variables independientes y dependientes utilizadas en este estudio.

   a) Variables independientes

   Variable

   Nomenclatura Unidades Rango de varación

   Turba

   T % 0.5-2

   Alginato sódico

   A % 1-5

   Cloruro cálcico

   C M 0.050-0.900

   b) Variables independientes adimensionales codificadas

   Variable

   Nomenclatura Definición Rango de variación

   Turba

   x, (T 1.25)/0.75 (-1,1)

   Alginato sódico

   x, (A 3)12 (-1,1)

   Cloruro cálcico

   x, (C--Q.475)10.2125 (-1,1)

   e) Variables dependientes

   Variable Nomenclatura Unidades

   Disminución en absorbancia a 620 om

   y, %

   Disminución en absorbancia a 520 om

   y, %

   Disminución en absorbancia a 420 om

   y, %

   Disminución en ahsorbancia a 280 om

   y. %

   1= AI2O+As20 (Intensidad del color)

   y, nm

   T =

   A42f)/Ano (Tonalidad) y, nm

   le = ~2o+A520+A420 (Intensidad colorante)

   y, nm

   L·(Luminosidad del color)

   Y. nm

   a'(asociada con cambios en rojos-verdes)

   Y, nm

   b·(asociada con cambios en amarillos-azules)

   Y" nm

   C·ab(Intensidad del color o saturación)

   y" nm

   H..b(Tono del color)

   y" nm

   Tabla 2. CDndiciones de operación cDnsideradas en este estudio (expresadas en términos de variables independientes codificadas) y los resultados experimentales conseguidos de las variables dependientes de la YI a Y12.

   Variables Independientes Variables Dependientes

   Exp.

   x, O x, -1 x, -1 y, 0,06 y, 0,11 y, 0,17 y, 2,50 y, 0,28 y, 1,62 y, 0,34 y, 92,24 y, 1,25 y" 7,82 y" 31 ,36 Y12 0, 16

   2

   O -1 0,04 0, 10 0,16 3, 14 0,26 1,72 0,30 93 ,34 1,82 8,71 39,59 0,21

   3

   O -1 0,04 0,08 0,13 1,97 0,21 1,54 0,25 94,07 1,22 5,73 17, 16 0,21

   o

   4 5 6 7 8 9 O -1 -1 -1 -1 -1 1 O O O O O -1 0,04 0,08 0,12 0,07 0,06 0,15 0,09 0, 15 0,21 0, 10 0,11 0,25 0,13 0,2 1 0,28 0, 15 0,17 0,33 2,71 2,80 3,3 1 1,87 2,47 3,35 0,22 0,3 7 0,49 0,25 0,28 0,58 1,57 1,37 1,3 6 1,59 1,57 1,3 3 0,26 0,45 0,6 1 0,31 0,33 0,73 94,07 88,99 85,4 1 92,79 92,21 82,46 2,26 3,39 3,94 0,48 1,66 4,3 5 6,55 8,98 10,57 6,23 7,3 8 11 ,03 24,01 46,07 63,62 19,52 28,61 70,29 0,33 0,36 0,36 0,08 0,22 0,3 8 tT1 w IV ... w O IV... 00 >

   10

   -1 O 0,04 0, 11 0,16 2,64 0,27 1,41 0,31 92,51 3,56 7,43 33,94 0,45

   11

   O -1 0,05 0,10 0,16 2,21 0,26 1,69 0,31 93,00 0,93 7,69 30,00 0,12

   12

   O 0,10 0, 15 0,2 1 1,98 0,36 1,45 0,46 89,04 1,38 7,48 28,93 0,18

   13

   O O O 0,07 0, 11 0,17 2,27 0,28 1,57 0,36 9 1,58 1,90 7,4 1 29,25 0,25

   14

   O O O 0,06 0,10 0, 18 2,29 0,28 1,70 0,34 92,51 1,88 7,70 31,37 0,24

   15

   O O O 0,07 0, 13 0,19 2,26 0,32 1,47 0,39 90,65 1,91 7,98 33,66 0,23

   r'

   0.93 0.95 0.95 0.99 0.95 0.86 0.95 0.95 0.99 0.96 0.98 0.99

   Tabla 3. Coeficientes de regresión y su error estadístico de las variables y, a Y6.

   y, y, y, p" y, p" y, p" y,

   p" p"

   ""

   bo

   0,07 0,01' 0,11 0,00' 0,18 0,00' 2,27 0,00· 0,29 0,00· 1,58 0,00·

   b,

   -0,01 0,06 -0,03 0,02· -0,04 0,01* -0,45 0,00' -0,07 0,01* 0, 10 0,13

   bll

   0,03 0,04* 0,04 0,03· 0,05 0,01' 0,15 0,00' 0,09 0,02' -0,13 0,17

   b,

   0,00 0,90 0,01 0,25 0,01 0,07 0,31 0,00* 0,02 0,13 0,01 0,82 tT1

   w

   b"

   -0,01 0,13 -0,02 0,15 -0,02 0,04* 0,19 0,00· -0,04 0,08 0,02 0,77 N ...

   w

   ::

   o

   b,

   ~,Ol 0,11 -0,02 0,08 -0,03 0,01* -0,24 0,00· -0,04 0,03* -0,05 0,35 N...

   00

   b"

   -0,01 0,26 -0,0 1 0,45 -0,01 0,17 0,12 0,00· -0,02 0,29 0,02 0,81 >

   b12

   -0,01 0,17 -0,01 0,25 -0,01 0,09 0,02 0,08 -0,02 0,15 0,00 0,96

   bu

   0,04 0,02' 0,05 0,02' 0,06 0,01* 0,12 0,00· 0,10 0,01' -0,08 0,30

   b"

   0,00 0,70 0,00 0,66 0,00 0,48 0,02 0,07 0,01 0,58 -0,02 0,79

   ·Coeficiente significativo (p>O.OS)

   Tabla 4. Coeficientes de regresión y su error estadistico de las variables y, a la Y12.

   y, y, y, YIO 1',10 1',,, 1',,,

   p" p" y" y"

   ""

   b, 0.36 0,00· 91,58 0,00· 1.90 0,00· 7,70 0,00' 31,43 0,00' 0,24 0,00· b, -0,09 0,01-2,21 0,02--1,35 0,00· -1,15 0,01--13,36 0,00· -0,12 0,00' 0,11 0,02* -2,95 0,03-0,69 0,00· 0,90 0,03-10,39 0,01'" 0,03 0,01

   b" tT1

   b, 0,02 0,21 -0,38 0,36 0,42 0,00· 0,56 0,03-5,22 0,02· 0,04 0,0 1'" w

   IV

   ...

   -

   0,05 0,08 1,22 0,13 -0,22 0,00· -0,31 0,18 -2,37 0,18 -0,02 0,04

   b" w

   N o

   IV

   b, -0,05 0,04-1,08 0,08 0,01 0,25 -1,01 0,01--8,40 0,01' 0,04 0,01· ...

   >

   0,25 0,63 0,32 -0,04 0,05 -0,19 0,33 -1,03 0,46 0,01 0,27

   b" -0,02 -0,04 0,14 0,75 0,25 0,16 0,00· -0,11 0,52 -2,12 0,20 0,04 0,01·

   b" bu 0,14 0,01' -3,50 0,02' 0,31 0,00· 0,85 0,03' 8,82 0,02' 0,00 0,62 bo, 0,01 0,59 -0,27 0,61 0,12 0,00 -0,02 0,91 -0,35 0,78 0,02 0,04'

   ·Coeficiente significativo (p>O.05)

   Tabla 5. Valores de las variables dependientes de la vinaza sin tratar y la vinaza tratada obtenidos tras el tratamiento con turba inmovilizada elaborada en las condiciones óptim

   Parámetros

   Nomenclatura Vinaza sin tratar Vinaza tratada

   Abs 620

   y, 0.42 0.04

   Abs S20

   y, 1.03 0.08

   Abs uo

   y, 1.05 0.13

   Abs 280

   y. 4.49 1.97

   y,

   2.08 0.21

   T

   y, 1.01 1.54

   IC

   y, 2.50 0.25

   L'

   y. 49.28 94.07

   , a

   y, 29.60 1.22

   b'

   y" 23.95 5.73

   C'",

   y" 724.88 17.16

   H",

   y" 0.89 0.21