Remoción de metales a través de sustancias poliméricas extracelulares obtenidas desde lodos sanitarios en distintos efluentes industriales.

Abstract

Se estudió la remoción de múltiples metales desde distintos efluentes industriales utilizando sustancias poliméricas extracelulares (EPS) obtenidas desde lodos sanitarios. Se realizaron ensayos de adsorción con EPS utilizando lixiviado de rellenos sanitarios, relaves mineros, solución de lantánidos, y soluciones sintéticas que simulan los vertidos anteriores. Se analizó la cinética de adsorción y la desorción multimetal en soluciones sintéticas de lantánidos. Se estudió el efecto de las concentraciones de EPS sobre la adsorción multimetal y se realizó un estudio termodinámico en soluciones sintéticas de lantánidos. Se efectuaron mediciones mediante espectrometría de masa con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) en modo estándar (EST) y modo de discriminación de energía cinética (KED). En soluciones de lixiviados sintéticos a pH 5, se obtuvieron capacidades de adsorción de Pb, Cr, Cu y Cd de 1.66, 1.09, 0.99 y 0.45 mg/g de EPS, respectivamente; y en relaves simulados se obtuvieron capacidades de adsorción de Cu y Zn de 0.95 y 0.15 mg/g de EPS. En efluentes sintéticos de lantánidos, se obtuvieron porcentajes de remoción entre el 50 y 60% y capacidades de adsorción en el siguiente orden; Sm >Yb>Tm>Er>Tb>Lu>Eu>Nd>Dy>Gd>Ho>Ce>La>Y>Sc. Sm exhibió la mayor capacidad de adsorción y Sc la menor: 11.05 y 2,17 mg metal/g de EPS, respectivamente. En una solución de Cu se obtuvo 37.92 mg 𝐶𝑢+2 adsorbido por cada gramo de EPS y 17 % de remoción. Se estudió la cinética multimetal en soluciones sintéticas de lantánidos con EPS a pH 5. Se presentó un pre-equilibrio de adsorción hasta el minuto 50 del proceso, y se ajustaron a los datos experimentales dos modelos similares. Se definió como un proceso lento, ya que se obtuvieron capacidades máximas a partir del minuto 150. Se obtuvo factibilidad de remoción sólo para un grupo de metales con coeficientes de desorción de 84%, 49%, 38%, 32%, 28%, y 7 % para el Pr, Tb, La, Ho, Ce y Lu, respectivamente. Se descartaron interferencias de medición en la espectrometría de masa, concluyendo que el modo estándar (EST) es el que proyecta mejores resultados. Se concluyó que el pH de los efluentes reales de lixiviado y relave es muy alcalino para este proceso de adsorción. En efecto, los efluentes reales no presentaron adsorción multimetal con EPS como adsorbente. Por lo tanto, se comprobó que existen las siguientes dificultades para el escalamiento industrial: (1) el pH del efluente debe estar en un rango de pH 4-5, (2) el pH del adsorbente (en este caso las sustancias poliméricas extracelulares) debe estar en el mismo rango que el efluente, (3) las concentraciones iniciales de los metales deben ser mayores a 1ppm y (4) la utilización de membranas de diálisis, para concentraciones de metales menores a 1 ppm, causan interferencias en la adsorción. El pH óptimo para la adsorción fue 5, ya que los metales están presentes en su forma catiónica. El efecto de la concentración de EPS sobre las capacidades de adsorción de lantánidos con EPS reveló las relaciones óptimas (1:1) y (1:2) de metal:EPS para los ensayos de adsorción en soluciones sintéticas. En el estudio termodinámico, la temperatura óptima fue 20°C y se observó un proceso endotérmico en el rango de 10°C a 20°C y exotérmico de 20°C a 30°C.

The removal of multiple metals was studied using extracellular polymeric substances (EPS) in different industrial effluents. EPS adsorption tests were performed using leachate from sanitary landfills, mine tailings, lanthanide solution, and synthetic solutions that simulate previous discharges. Adsorption kinetics and multimetal desorption in synthetic lanthanide solutions were analyzed. The effect of EPS concentrations on multimetal adsorption was studied and a thermodynamic study was carried out on synthetic lanthanide solutions. Measurements were made by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) in standard mode (EST) and kinetic energy discrimination mode (KED). In synthetic leachate solutions at pH 5, Pb, Cr, Cu and Cd adsorption capacities of 1.66, 1.09, 0.99 and 0.45 mg/g of EPS were obtained, respectively; and in simulated tailings, Cu and Zn adsorption capacities of 0.95 and 0.15 mg/g of EPS were obtained. In synthetic lanthanide effluents, removal percentages between 50 and 60% and adsorption capacities were obtained in the following order: Sm>Yb>Tm>Er>Tb>Lu>Eu>Nd>Dy>Gd >Ho>Ce>La>Y>Sc. Sm exhibited the highest adsorption capacity and Sc the lowest: 11.05 and 2.17 mg metal/g of EPS, respectively. In a Cu solution, was obtained 37.92 mg 𝐶𝑢+2 adsorbed for each gram of EPS and 17% removal. Multimetal kinetics were studied in synthetic lanthanide solutions with EPS at pH 5. An adsorption pre-equilibrium was presented up to minute 50 of the process, from which two similar models were fitted to the experimental data. It was defined as a slow process since maximum capacities were obtained from minute 150. Removal feasibility was obtained only for a group of metals with desorption coefficients of 84%, 49%, 38%, 32%, 28%, and 7 % for Pr, Tb, La, Ho, Ce and Lu, respectively. Measurement interferences were ruled out, concluding that the standard mode (EST) is the one that projects the best results. It was concluded that the pH of the actual leachate and tailings effluents is too alkaline for this adsorption process. Indeed, the real effluents did not present multimetal adsorption with EPS as adsorbent. Therefore, it was found that there are the following difficulties for industrial scaling up: (1) the pH of the effluent must be in a range of pH 4-5, (2) the pH of the adsorbent (in this case the extracellular polymeric substances) it must be in the same range as the effluent, (3) the initial metal concentrations must be greater than 1ppm and (4) the use of dialysis membranes, for metal concentrations less than 1 ppm, cause interference in adsorption. The optimum pH was 5 since the metals are present in their cationic form. The effect of the EPS concentration on the adsorption capacities of lanthanides with EPS yielded optimal ratios (1:1) and (1:2) of metal:EPS for the adsorption tests in synthetic solutions. In the thermodynamic study, the optimum temperature was at 20°C and an endothermic process was observed in the range of 10°C to 20°C and exothermic from 20°C to 30°C.