Identificación de las propiedades fisicoquímicas que mejora las características de un sustrato de hierro específicamente diseñado para la remoción de sulfato desde medios acuosos vía proceso de adsorción

Abstract

Este trabajo tiene como objetivo estudiar experimentalmente, a escala de laboratorio, la remoción de sulfato, desde aguas que contienen concentraciones muy altas, por medio de procesos de adsorción de alta eficiencia. Para lo anterior se sintetizan sustancias oxi-hidroxiladas de hierro, a partir de cloruro férrico () con dos agentes alcalinizantes tales como hidróxido de sodio () y cal viva (). Estudios preliminares fueron realizados para establecer y ajustar el mejor protocolo de síntesis de estructura de hierro. Un total de seis sustratos fueron sintetizados a partir de un diseño experimental factorial completo obtenido a partir de las dos variables: agente alcalinizante y valores de pH (5, 8 y 11.4). Dichos sustratos luego de su síntesis, filtrado y secado fueron utilizados para realizar estudios cinéticos de adsorción de sulfato. Los experimentos cinéticos fueron implementados introduciendo el sustrato a temperatura ambiente (apróx. 23°C ± 2°C) en un volumen de 1,000 mL de solución acuosa a pH 5, y concentración del anión sulfato igual 635 mg/L, manteniendo una densidad de pulpa igual a 50 g/L. El muestreo consistió en remover 10 mL de la solución en tiempos de 2.5, 5, 10, 30, 60 y 120 min. Finalmente, las muestras son analizadas por nefelometría utilizando cloruro de bario (II) para determinar la concentración de sulfato en solución. Las concentraciones óptimas para un correcto control de pH durante la síntesis del sustrato involucran trabajar con molaridades teóricas de hidróxido de sodio y cal igual a 10 y 2.97 M, respectivamente. Los mejores resultados cinéticos de adsorción fueron obtenidos con el sustrato sintetizado a pH 5 utilizando hidróxido de sodio y cal como agente neutralizante obteniendo capacidades máximas de adsorción igual a 12.5 y 12.8 mg /g, respectivamente. Los peores resultados cinéticos de adsorción fueron observados con el sustrato a pH 11.4, posiblemente debido a estructuras altamente desordenadas por la rápida hidrólisis de los iones férrico que luego pierden la capacidad de adsorber el anión sulfato. El modelo cinético generado sugiere un comportamiento de orden 2, con menores valores de constante L para aquellos sustratos de mejor rendimiento y la constante k no parece tener relación con los rendimientos de adsorción. Un análisis DIS de las isotermas BET obtenidas indica que el sustrato sintetizado a pH=5, tiene un porcentaje de superficie de alta energía de 272% con respecto al material obtenido a pH = 8, mientras que el porcentaje asociado a energía superficial baja decae a un 64%. Esto explica mejores rendimientos para el sustrato generado a menor pH. Resultados de difracción de rayos X e infrarrojo muestran características similares a la ferrihidrita, aunque puede tratarse de sustratos compuestos por más de un mineral oxi-hidróxido, dado que se reconoce también presencia de goethita, schwertmanita y feroxyhyte.