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INTRODUCCIÓN
Una de las principales preocupaciones medioambientales es la contaminación de soluciones acuosas, como el agua potable, las aguas superficiales, las aguas subterráneas y las aguas residuales, por los diferentes contaminantes que tienen un impacto irreversible en la salud humana, el medioambiente y el ecosistema (1). En tal sentido, en los últimos tiempos, la contaminación del agua por la introducción directa o indirecta de compuestos nocivos y contaminantes ha sido un problema importante a nivel mundial (2).
Entre los muchos contaminantes tóxicos que se encuentran ampliamente en forma acuosa están los contaminantes inorgánicos; pero entre los más importantes se encuentran los iones de metales pesados, como el cromo (VI), aluminio (III), boro (B), entre otros (3). Un ejemplo de la presencia son las industrias mineras, metalúrgica, textil y de pintura, las cuales vierten grandes cantidades de metales pesados peligrosos en las fuentes de agua (4).
En el caso del boro (B), esto se evidencia en las altas cantidades presentes en países como Argentina, Chile, Rusia, China, Perú, Turquía y Estados Unidos (5). En el caso de Cerro de Pasco, Perú, se ha contaminado excesivamente con metales pesados debido a las extensas actividades mineras en la zona, donde los niños expuestos a la mina presentaron concentraciones de aluminio, cromo, hierro, plomo, estaño, entre otros metales, estadísticamente superiores a las de los niños de control (p<0,05) (6). Así, entre 2002 y 2016, se evidenció que las emisiones antropogénicas de boro en las aguas superficiales crecieron de 0,44 a 0,65 TgB año-1. Este resultado representó un 80 % del flujo total de boro que los ríos suministraron al mar (7).
En el caso del cromo (Cr), cada año se vierten al ambiente en todo el mundo más de 170 000 toneladas de efluentes que contienen cromo; ocasionando altos niveles de toxicidad y enfermedades cancerígenas (8). Se estima que el 35 % del cromo utilizado se vierte a los efluentes en forma de Cr hexavalente (VI); siendo el Cr (VI) 100 veces más virulento que el Cr (III) (9).
Por otra parte, en Suiza, debido a la movilización de aluminio (Al) por las precipitaciones ácidas, que provocaron la acidificación de ríos y lagos, se han encontrado altas concentraciones de Al en el agua. En un estudio, entre las seis marcas de cápsulas de café examinadas, el contenido de aluminio ha sido en general superior al del agua del grifo, y en las cápsulas de té se descubrieron unas alarmantes 45 partes por millón de Al (10). Además, aproximadamente 67 millones de hectáreas de tierras colombianas sufren problemas de acidez y los suelos fuertemente ácidos pueden volverse peligrosos y extenderse hasta contaminar las fuentes de agua; esto se observó en uno de los lagos del país, donde se encontró un valor de 0,14 mg L -1 Al 3+ (11).
Los antecedentes anteriores generan gran preocupación debido a que estos metales presentan una alta toxicidad; como es el caso del cromo (VI); donde la exposición a aguas contaminadas con altas concentraciones de Cr (VI) puede tener consecuencias perjudiciales para la salud humana, incluido el desarrollo de trastornos cancerígenos crónicos, ya que es más móvil y, por tanto, dominante en las soluciones acuosas (12). En el caso del B, puede acumularse en el organismo de las personas y los animales que consumen alimentos o piensos enriquecidos con B, lo que puede provocar problemas de salud. Asimismo, la toxicidad aguda por su consumo excesivo puede provocar daños renales, diarrea y, en casos graves, la muerte por colapso circulatorio (13). Además, las fugas de boro contaminan el medioambiente y perjudican a las plantas; una concentración elevada de boro, por ejemplo, podría reducir la biomasa de fitoplancton y la biodiversidad; una cantidad excesiva de boro en el agua produciría graves daños en las hojas, una maduración temprana y un menor rendimiento de los frutos (14).
El objetivo de la investigación es evaluar la eficiencia de los tratamientos con quitosano y biocarbón en la remoción de cromo VI, boro y aluminio en disolución acuosa. Para ello, con el fin de reducir la contaminación del agua, el uso de aditivos naturales, biodegradables y biocompatibles ha aumentado recientemente y atraído mucha atención; siendo el quitosano y sus derivados atractivos como adsorbentes; por la disponibilidad de grupos amino e hidroxilo, su bajo coste y su capacidad para eliminar una amplia gama de contaminantes de las aguas contaminadas con metales pesados (15). Ante ello, el presente estudio genera nuevas aplicaciones de la utilización del quitosano y biocarbón como tratamiento de medios acuosos contaminados con los metales cromo VI, boro y aluminio.
La investigación es importante porque genera conocimiento científico que permite ayudar a mejorar las soluciones acuosas; agua potable, aguas superficiales, aguas subterráneas y aguas residuales, que se ven afectadas por la gestión ineficaz de metales pesados como el boro, el aluminio y el cromo VI en diversas actividades antropogénicas.
MATERIALES Y MÉTODOS
En el laboratorio de una universidad de Lima, se adecuaron las condiciones de las aguas que se contaminaron con metales, con las cuales se realizaron los ensayos, en los meses abril a setiembre del año 2024.
Para la investigación se prepararon muestras de disolución acuosa de 27 litros que contuvieron metales cromo VI, boro y aluminio; donde el experimento se realizó con 9 tratamientos con biocarbón y de la misma manera con quitosano; con sus 3 réplicas a diferentes pH (3, 7 y 11) y dosis de 0.1, 0.5 y 1 g/l además se incluyó un testigo (CC). Dentro de los criterios de inclusión se consideraron aguas limpias para elaborar las soluciones de cromo VI, boro y aluminio. Se excluyeron soluciones acuosas de cualquier ecosistema acuático, fábrica o empresa industrial.
Para llevar a cabo el análisis de los datos se emplearon el Análisis de Varianza (ANOVA) para determinar si existen diferencias significativas entre los tratamientos con biocarbón y quitosano. Esta prueba permitió evaluar si los tratamientos tienen un efecto significativo en la remoción de los metales. Además, se utilizó la prueba de Tukey para comparar la efectividad media de los tratamientos con biocarbón y Quitosano. Permitió determinar cuáles de los tratamientos son más efectivos para la remoción de los metales. Finalmente, se utilizó la prueba T de Student para comparar la efectividad media de biocarbón y quitosano en condiciones específicas. Esta prueba permitió evaluar si existen diferencias significativas entre los dos tratamientos en condiciones específicas.
Para la lectura de las concentraciones de los metales cromo VI, boro y aluminio, se utilizó el espectrómetro de absorción atómica, (Métodos Normalizados APHA-AWWA-WPCF.3111 A. 1989) / Determinación de Metales Pesados. Además, para la medición de pH en la elaboración del quitosano y en el procedimiento experimental (buscando estabilizar los valores de pH a 3, 7, 11) se utilizó un medidor de pH Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 4500-H+ pH.
Obtención de la muestra de disoluciones y su caracterización
Se preparó soluciones de cromo VI, boro y aluminio comprendidas entre 1000 mg/l-1 para ser diluidas a 10, 30 y 50 mg/l respectivamente.
Elaboración de Quitosano
Aproximadamente 1000 g de escamas de pescado fueron colectados del terminal pesquero del puerto del Callao, provincia constitucional (Perú); las cuales se lavaron con abundante agua del grifo para eliminar los residuos propios de descamación, enjuagadas finalmente con agua destilada, las escamas fueron extendidas y llevadas a secar a 40 °C en una estufa de convención forzada; luego se molió la muestra seca en una licuadora hasta tener partículas más pequeñas. Luego, se pesó 200 g de escama agregando 200 ml de solución de ácido clorhídrico en un vaso de precipitado Isolab de 1000 ml, calentándolo a 60 °C en agitación de 300 rpm/por 24 horas. Como resultado se obtuvo un extracto acuoso, para posteriormente lavarlo con abundante agua desionizada hasta tener un pH cerca al neutro, en esta oportunidad se agregó una solución de hidróxido de sodio, repitiendo el paso de la agitación por el mismo tiempo, lavando y buscando conseguir en esta ocasión un polvo blanquecino, el cual fue utilizado en el experimento.
Obtención del biocarbón
Para la obtención de biocarbón fue necesario realizarlo en un horno pirolítico, donde se colocaron los tallos de planta de uva de 450 a 500 °C, hasta la formación de trozos de carbones, los cuales fueron molidos hasta obtener un diámetro entre 2 mm modificado, seleccionados en un tamiz (16).
Procedimiento experimental
Se prepararon 27 muestras de 1 litro; cada muestra de agua preparada, contaminada con metales; el experimento consistió en 9 tratamientos (biocarbón y quitosano) con sus 3 réplicas a diferentes pH (3, 7 y 11) y dosis de 1.5, 2.5 y 3.5 g/l-1 y con tiempos de contacto de 45, 80 y 120 minutos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se obtuvieron las eficiencias según muestran las Tablas 1, 2 y 3; utilizando biocarbón y para quitosano para los tres metales.
Se aplicó la prueba ANOVA; se encontró que para los tratamientos de cromo VI con biocarbón y quitosano; tratamiento de boro con biocarbón y quitosano y tratamiento de aluminio con biocarbón y quitosano; la prueba F resultó con 92,828; 326,875; 281,021; 562,544; 124,226 y 912,444 respectivamente y con un p valor de 0,000. Luego se aplicó la prueba de Tukey para comparar las eficiencias medias de los tratamientos de biocarbón y quitosano.
Tabla 4 Prueba de Tukey para comparar la eficiencia media de los tratamientos con biocarbón para cromo VI
Sobre la base de la prueba de Tukey y al 95 % de confianza, se concluye que la eficiencia más alta con biocarbón se encontró con PH=7, dosis 1, 45 minutos
Tabla 5 Prueba de Tukey para comparar la efectividad media de los tratamientos con quitosano para cromo VI
Al 95 % de confianza, se determinó que la eficiencia más alta con Quitosano se encontró con PH=7, dosis 0,1, 120 minutos. A su vez, sobre la base de la prueba T de Student, la eficiencia media de quitosano (42.905 %) resultó significativamente mayor que biocarbón (15.125 %) para una dosis de pH=7, dosis 0.1 y 120 minutos, la efectividad media de biocarbón (31.839 %) resultó significativamente mayor que quitosano (7.993 %) para una dosis de PH=7, dosis 1 y 45 minutos.
Tabla 6 Prueba de Tukey para comparar la efectividad media de los tratamientos con biocarbón para boro.
Al 95 % de confianza se concluye que la eficiencia más alta con biocarbón se encontró con PH=7, dosis 1, 45 minutos.
Tabla 7 Prueba de Tukey para comparar la efectividad media de los tratamientos con quitosano para boro
Al 95 % de confianza se concluye que la eficiencia más alta con Quitosano se encontró con pH=7, dosis 0.1, 120 minutos. Sobre la base de la prueba T de Student, la efectividad media de Quitosano (61.843 %) resultó significativamente mayor que biocarbón (16.180 %) para una dosis de PH=7, dosis 0.1 y 120 minutos. Bajo la misma prueba, la eficiencia media de biocarbón (42.928 %) resultó significativamente mayor que Quitosano (5.312 %) para una dosis de pH=7, dosis 1 y 45 minutos.
Tabla 8 Prueba de Tukey para comparar la efectividad media de los tratamientos con Biocarbon para aluminio
Al 95 % de confianza se concluye que la eficiencia más alta con biocarbón se encontró con pH=7, dosis 1, 45 minutos.
Tabla 9 Prueba de Tukey para comparar la efectividad media de los tratamientos con quitosano para aluminio
Al 95 % de confianza se concluye que la eficiencia más alta con Quitosano se encontró con pH=7, dosis 0.1, 120 minutos.
Aplicando la prueba T de Student, la eficiencia media de quitosano (63.443 %) resultó significativamente mayor que el biocarbón (12.181 %) para una dosis de pH=7, dosis 0.1 y 120 minutos. También la efectividad media de quitosano (24.860 %) resultó significativamente menor que biocarbón (28.303 %) para una dosis de pH=7, dosis 1 y 45 minutos.
Discusión
Se observa que la eficiencia de los tratamientos de quitosano y biocarbón en la remoción de metales pesados en disolución acuosa es notablemente variable. Los resultados obtenidos demuestran que la dosis óptima y el tiempo de contacto son fundamentales para lograr una remoción eficiente de los metales cromo VI, boro y aluminio.
Ello se encuentra en concordancia con la opinión de (15), quienes afirmaron que la dosis óptima y el tiempo de contacto son cruciales para lograr una remoción eficiente de los metales pesados, ya que pueden influir en la eficiencia de remoción de los metales pesados al afectar la cantidad de sitios de adsorción disponibles y la velocidad de reacción entre el metal y el adsorbente. Sin embargo, otros autores han demostrado que la eficiencia de remoción no solo depende de la dosis y el tiempo de contacto, sino también de otros parámetros como el pH, la temperatura, la concentración de iones y la presencia de otros contaminantes (16).
Se determinó que la efectividad de la dosis de quitosano y biocarbón en el tratamiento de los metales cromo VI, boro y aluminio. en disolución acuosa es notablemente variable. Los resultados muestran que la dosis óptima y el tiempo de contacto son fundamentales para lograr una remoción eficiente de estos metales. Para el cromo VI, la dosis óptima de biocarbón fue de 0,5 g/L, lo que dio como resultado una concentración final de 21,69 g/L. Por otro lado, la dosis óptima de quitosano fue de 1 g/L, lo que generó una concentración final de 18,68 g/L. La eficiencia del biocarbón en la remoción del cromo VI es similar a los resultados obtenidos por (17), quienes reportaron una capacidad de adsorción de 180 mg/g para Cr (VI) utilizando un biocarbón dopado con MoS2/Fe.
Pero, presentando oposición a lo anteriormente confirmado, la eficiencia del quitosano en la remoción del cromo VI es mayor que la reportada por (16), quienes encontraron que un material de quitosano y biocarbón FeS modificado tenía una capacidad de adsorción de 110,0 mg/g para Cr (VI); ello se debe a factores como el pH, temperatura, tiempo de contacto y concentración inicial de Cr (VI) que generan que la eficiencia de adsorción puede variar.
En el caso del boro, la dosis óptima de biocarbón fue de 1 g/L, lo que dio como resultado una concentración final de 11,42 g/L. Por otro lado, la dosis óptima de quitosano fue de 0,1 g/L, lo que generó en una concentración final de 8,07 g/L.
Por ende, para el aluminio, la dosis óptima de biocarbón fue de 1 g/L, lo que dio como resultado una concentración final de 21,03 g/L. Por otro lado, la dosis óptima de quitosano fue de 0,1 g/L, lo que generó en una concentración final de 10,61 g/L.
La efectividad del quitosano en la remoción de boro y aluminio es comparable con los resultados obtenidos por (18), quienes reportaron una capacidad de adsorción de 59,66 mg/g para Cd (II) utilizando un compuesto de óxido de magnesio, biocarbón y quitosano.
Pero, la efectividad del biocarbón en la remoción del boro y aluminio es menor que la reportada por (18), quienes encontraron que un biofiltro a base de biocarbón de cáscara de coco impregnado de quitosano podía eliminar hasta el 61,70 % de fosfato y un 54,37 % de nitrógeno. Dicha diferencia entre boro y aluminio se debe a los distintos materiales adsorbentes, ya que, (18) utilizaron un compuesto de óxido de magnesio, biocarbón y quitosano, mientras que (19) utilizaron un biofiltro a base de biocarbón de cáscara de coco impregnado de quitosano.
Para lograr una remoción óptima, es fundamental ajustar las condiciones de pH, dosis de adsorbente y tiempo de contacto. En este sentido, se ha determinado que un pH de 7 es el óptimo para todos los metales y ambos adsorbentes. Ello viene a ser consistente con los hallazgos de (14) y (20), quienes también encontraron que el pH óptimo para la adsorción de Cr (VI) era cercano a 7.
Sin embargo (21), en su estudio demostraron que las mejores eficiencias de remoción ocurrieron a un pH=7 para Pb (II), un pH=5 para Cr(VI) y un pH=9 para el antibiótico (TCH) y ello se debe a que el pH puede influir en la carga del material adsorbente, lo que puede afectar la interacción con los iones o moléculas que se desean adsorber.
Además, en el presente estudio, la dosis de biocarbón varía entre 0,5-1 g/L, mientras que la dosis de quitosano oscila entre 0,1-1 g/L. Es importante mencionar que el tiempo de contacto óptimo se encuentra en el rango de 45-120 minutos.
El quitosano muestra una mayor eficiencia en la remoción del boro y aluminio, con efectividades del 61,843 % y un 63,443 %, respectivamente. Por otro lado, el biocarbón es más efectivo en la remoción del cromo VI, con una efectividad del 31,839 %.
Sin embargo, la dosis óptima de quitosano y biocarbón encontrada en este estudio es diferente a la reportada por (22), quienes utilizaron una dosis de 2 g/L de quitosano para la remoción de Cr (VI).
Así también, en el estudio de (23), se observó que la modificación de las partículas de FeS y quitosano con biocarbón mejora la capacidad de adsorción de Cr (VI). Sin embargo, hay diferencias significativas en las condiciones óptimas y los resultados. En el estudio previo, FSBC (1:1:1) mostró una capacidad de adsorción de 103,93 mg g-1, mientras que, en el presente estudio, el biocarbón es más efectivo en la remoción del cromo VI, con una efectividad del 31,839 %. Esto sugiere que la eficiencia de adsorción puede variar dependiendo de las condiciones experimentales.
La investigación ha demostrado que los resultados obtenidos demuestran que el quitosano y el biocarbón son adsorbentes efectivos para eliminar los metales cromo VI, boro y aluminio. En el caso del cromo VI, el biocarbón logra una eficiencia máxima del 31,839 %, mientras que el quitosano alcanza una eficiencia del 42,905 %. Esto sugiere que el quitosano es más eficiente en la remoción de este metal. Sin embargo, dicho resultado refuta con lo expuesto por (24), quien consiguió una remoción del 100 % de Cr(VI) aplicando quitosano lo que resulta ser mucho mayor a lo encontrado en el presente estudio en un 42,905 %; ello debido a las condiciones experimentales y los métodos de remoción utilizados en ambos estudios.
Por otro lado, en la remoción del boro, el biocarbón alcanza una eficiencia máxima del 47,928 %, mientras que el quitosano logra una eficiencia del 61,843 %. Esto indica que el quitosano es significativamente más eficiente en la remoción de este metal.
En cuanto al aluminio, el biocarbón logra una eficiencia máxima del 28,303 %, mientras que el quitosano alcanza una eficiencia del 63,443 %. Nuevamente, el quitosano demuestra ser más eficiente en la remoción de este metal. Sin embargo, las capacidades de adsorción obtenidas en nuestro estudio son significativamente menores que las reportadas en el estudio de (17), donde, la capacidad de adsorción máxima para Cr(VI) en nuestro estudio fue de un 42,905 %, mientras que en el estudio mencionado se reportó una capacidad de adsorción de 442,08 mg/g, lo que equivale a un porcentaje mayor al 90 %, incluso después de diez ciclos consecutivos; esto debido a las condiciones experimentales, como el pH, la temperatura, la concentración de iones o moléculas, y el tiempo de contacto.
CONCLUSIONES
La eficiencia de los tratamientos de quitosano y biocarbón en la remoción de metales pesados en disolución acuosa es compleja y variable. Los resultados demostraron que dos factores clave, la dosis óptima y el tiempo de contacto, juegan un papel fundamental en la eficiencia de la remoción de los metales cromo VI, boro y aluminio.
Sobre la base de la prueba ANOVA se concluye que la efectividad del biocarbón y quitosano sobre la contaminación del cobre VI, boro y aluminio; presentaron diferencias significativas (p =0.00 menor que 0.05). Además, la efectividad de la dosis de quitosano y biocarbón en el tratamiento de los metales cromo VI, boro y aluminio en disolución acuosa fue notable; para el cromo VI, la dosis óptima de biocarbón fue de 0,5 g/L, lo que dio como resultado una concentración final de 21,69 g/L; mientras que la dosis óptima de quitosano fue de 1 g/L, lo que resultó en una concentración final de 18,68 g/L. En el caso del boro, la dosis óptima de biocarbón fue de 1 g/L, lo que resultó en una concentración final de 11,42 g/L; mientras que la dosis óptima de quitosano fue de 0,1 g/L, lo que resultó en una concentración final de 8,07 g/L. Finalmente, para el aluminio, la dosis óptima de biocarbón fue de 1 g/L, lo que resultó en una concentración final de 21,03 g/L, mientras que la dosis óptima de quitosano fue de 0,1 g/L, lo que resultó en una concentración final de 10,61 g/L. Ante ello se puede recomendar realizar pruebas en condiciones reales y considerar la escalabilidad y viabilidad económica de tus propuestas, y analiza la reutilización y regeneración de los materiales.
Para lograr una remoción óptima de metales pesados, es fundamental ajustar las condiciones de pH, dosis de adsorbente y tiempo de contacto. Un pH de 7 es el óptimo para todos los metales y ambos adsorbentes. La dosis de biocarbón varía entre 0,5-1 g/L, mientras que la dosis de quitosano oscila entre 0,1-1 g/L. Asimismo, se ha encontrado que el tiempo de contacto óptimo se encuentra en el rango de 45-120 minutos. Ante ello, se puede recomendar trabajar en el desarrollo de tecnologías que permitan la implementación de estos adsorbentes a gran escala.
Los adsorbentes naturales demostraron ser eficientes en la remoción de cromo VI, boro y aluminio, El quitosano se destaca como una opción particularmente prometedora, con eficiencias superiores en la remoción de boro y aluminio. Su capacidad para capturar estos metales tóxicos es notable, lo que lo convierte en una herramienta valiosa para la descontaminación de aguas. Por otro lado, el biocarbón muestra una eficiencia significativa en la remoción del Cromo VI. Ante ello, se recomienda evaluar la eficiencia de los adsorbentes en diferentes tipos de aguas, como aguas residuales, industriales o naturales.
CONFLICTO DE INTERESES.
Los autores declaran que no existe conflicto de intereses en la realización y publicación del presente artículo científico. La investigación fue llevada a cabo de manera independiente, sin influencias externas que pudieran afectar la objetividad de los resultados obtenidos. Asimismo, los datos presentados reflejan con fidelidad los hallazgos experimentales, y no existen compromisos financieros, comerciales o personales que puedan generar un sesgo en la interpretación de los resultados.
