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Problemática 

1. Efectos de la contaminación en aguas residuales

Los que tienen más probabilidades de encontrarse en el agua son el mercurio, el níquel, el cobre, el plomo y el cromo (se resumen las propiedades en cuanto a metales pesados en la Tabla 1). Entre los distintos metales pesados citados se encuentra el cobre. Se estudiarán sus propiedades, las formas en que se presenta en medios acuosos, las consecuencias que puede tener sobre la salud de los seres humanos y el medio ambiente y sus distintas procedencias.  A partir de aquí se deberan proponer soluciones para la contaminación de agua con este metal. De esta forma, se detallan los métodos disponibles para su eliminación.

Figura 2.  Agua contaminada con metales pesados.

Tabla 1. Propiedades de los metales pesados. [25]

1.1. El cobre

El cobre es un metal de transición de color rojizo pardo y opaco de brillo metálico. Es uno de los metales pesados más utilizados debido a sus buenas propiedades físico-químicas –tanto puro como aleado.

Algunas de sus propiedades a destacar: es un buen conductor de la electricidad, presenta una gran ductilidad, es duradero y reciclable de forma indefinida sin perder sus propiedades mecánicas, entre otras. [9] De esta forma, después del acero y el aluminio es el metal más consumido en el mundo. Sólo en 2012 su producción mundial estaba alrededor de 7 millones de toneladas. Ver Gráfico 1. [10] 

Gráfico 1. Producción mundial de cobre entre 2001 y 2012. [10]

1.2. El cobre en medios acuosos

El cobre es un elemento necesario en cantidades ínfimas para el crecimiento, desarrollo y fisiología del organismo humano. Así, la absorción de cobre es necesaria, pero una cantidad excesiva puede provocar graves efectos sobre la salud o el medio ambiente. La mayoría de los compuestos del cobre se depositaran y se enlazaran tanto a los sedimentos del agua como a las partículas del suelo. Asimismo, son los compuestos solubles del cobre los que forman la mayor amenaza para la salud.

Un contacto excesivo con esta sustancia puede provocar fiebre –conocida como fiebre del metal-, irritaciones, acumulación de partículas en el hígado y riñones –pudiendo ocasionar la muerte-, entre otros.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) establece que el agua debe contener un máximo de 2 mg/l de cobre para no ser perjudicial para el ser vivo. Este límite tiene en cuenta que la acumulación de cobre en el cuerpo humano puede provocar trastornos (ver Tabla 2). Así mismo, el cobre en polvo es combustible y su inhalación resulta altamente perjudicial. [12] El Gobierno Español ha adoptado el mismo límite con lo referente al vertido en aguas residuales. [13] Existen otras normativas aplicables al cobre las cuales se incluyen en el Anexo 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

En lo referente al medio ambiente, el vertido de aguas residuales que contienen metales pesados, entre ellos el cobre, son el principal problema para el medio ambiente, aunque también puede liberarse por procesos naturales –tormentas de polvo, incendios forestales, aerosoles marinos. De esta forma, el cobre puede acumularse en plantas y seres vivos, interrumpir la actividad en el suelo, mimbar la descomposición natural de la materia orgánica, etc. En cambio, cuando los niveles de cobre son normales los organismos pueden absorber las cantidades sin dañar su salud. [14]

El cobre se presenta en medios acuosos en forma de Cu2+ o de Cu1+. Tiene mucha facilidad en adsorberse sobre las partículas sólidas en suspensión e incorporarse rápidamente al sedimento. Un 90% del cobre en un sistema acuático se encuentra formando complejos con la fracción húmica en disolución. 

El 83% de las emisiones de este metal a la atmósfera se depositan posteriormente en las zonas continentales y el resto en los océanos. Desde el aire el cobre puede alcanzar los ambientes acuáticos tanto por precipitacion húmeda (lluvia), como seca (polvo). [11]

 

 

 

 

 

 

1.3. Efectos sobre la salud y el medio ambiente

Tabla 2. Transtornos provocados por la exposición al Cobre. [26]

1.4. Aplicaciones y usos. Industrias procedentes.

El uso industrial de este metal es muy elevado. Existen dos variantes del cobre:

  • Cobre no metálico: el sulfato de cobre (II) es el compuesto de cobre de mayor importancia industrial. Se emplea como abono y pesticida en agricultura, algicida en la depuración del agua y como conservante de la madera.

  • Cobre metálico: el cobre o sus aleaciones con una pureza que está alrededor del 100%. Se usa principalmente en la fabricación de cables eléctricos.

 

En sus dos versiones, los principales usos del cobre en la industria son: acuñación de monedas, bisutería, bombillas, electroimanes, instrumentos musicales de viento, interruptores eléctricos y enchufes, radiadores de automóviles, calefacción, fontanería, motores eléctricos, etc. A continuación se muestra una tabla con la procedencia de distintos metales pesados (Tabla 3).

Tabla 3. Origen de los diferentes metales pesados. [15]

2. Métodos de eliminación convencionales de metales pesados en medios acuosos

Hay distintos procesos para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados (ver Tabla 4). Estos tratamientos se diferencian tanto en su grado de tolerancia a sustancias orgánicas o a cambios de pH como también por su selectividad a los metales. Además, se distinguen por  la influencia que ejercen sobre sólidos en suspensión, entre otros motivos. Como se puede observar, en función de las características del agua residual y su contaminante, compensa un tratamiento u otro. Esto es debido a que muchas veces el agua a tratar puede tener una composición muy cambiante en cuanto a componentes orgánicos o inorgánicos, acidez o basicidad extremas, etc. En la siguiente tabla, se muestran los rasgos más generales sobre los distintos tipos de tecnologías aplicadas para la descontaminación de metales pesados. Esta tabla presenta los tratamientos más comunes actualmente, es decir, aquellos que buscan tener una mínima supervisión y mantenimiento, una continuidad del sistema y una efectiva selectividad de los metales considerados. La opción preferida es el método de la adsorción, del que hablaremos más en profundidad en los siguientes apartados. Evidentemente, los costes económicos son un factor que se tiene en cuenta de forma especial a la hora de seleccionar un método de descontaminación. [1, 3, 8, 18]

Tabla 4.  Comparación de los diferentes métodos para la eliminación de metales pesados. 

3. Adsorción y biosorción

La diferencia entre adsorción y biosorción reside en los sorbentes que se utilizan. Mientras que en el primer proceso se utilizan componentes no biológicos, en la biosorción se emplean organismos vivos o biomasa inerte.

3.1. Adsorción

La adsorción es un fenómeno de atracción de partículas (átomos, iones, moléculas), que se encuentran en una determinada fase,  por la superficie de un sólido o un líquido. El adsorbato es la especie química que se acumula o concentra en la superficie de un material, al cual se le denomina adsorbente. Existen dos tipos de adsorción (física o química), los cuales pueden darse de forma conjunta, por tanto, no es necesario que se produzcan de forma independiente. El carbón activo es el adsorbente más usado para eliminar impurezas de naturaleza orgánica en las aguas residuales. [6, 7]

3.1.1 Adsorción física

Las especies se adsorben dependiendo del pH de la disolución y de la naturaleza química de la especia absorbida. Esta causada por las fuerzas de Van der Waals y electrostáticas que se dan entre las moléculas de adsorbato y los átomos que componen la superficie del adsorbente. Este proceso puede ser lento o rápido, dependiendo de la composición del adsorbente, del adsorbato y de la temperatura. [7]

3.1.2 Adsorción química o quimiadsorción

El proceso de quimiadsorción es debido a fuerzas de naturaleza química, como por ejemplo la compartición de electrones entre el contaminante y el sólido. Depende de la temperatura, de la naturaleza química del sólido y de la concentración de la especie. Este tipo de adsorción es específico y las fuerzas de atracción son más fuertes que en la adsorción física. [6] 

3.2. Biosorción

La biosorción es una tecnología alternativa en el tratamiento de aguas residuales ya que comporta un bajo coste de proceso y una buena capacidad de sorción. Es un proceso fisicoquímico de captación de partículas que lleva a cabo una biomasa completa (viva o muerta) a través de mecanismos como la adsorción. El proceso de biosorción pude verse afectado por el peso de biosorbente, el pH de la solución, la concentración de metales en solución, aniones o cationes presentes en la solución, la velocidad de agitación o la temperatura de la solución. [6, 8]

3.2.1. Tipo de biosorbentes

Los biosorbentes deben prepararse o tratarse previamente antes de su utilización, para que sean más efectivos y así puedan utilizarse en aplicaciones a largo plazo (véase el punto 4.1). Se pueden distinguir, según su origen, dos tipos de biosorbentes:

  • Biomasa microbial: engloba algas, bacterias, hongos y levaduras. Se encuentran en grandes cantidades en la naturaleza y son fácilmente disponibles.

  • Residuos vegetales procedentes de procesos industriales o agrícolas: Se pueden obtener gratuitamente o a muy bajo coste. Dentro de este grupo se encuentra la rapa de uva, un residuo vinícola que será la base de estudio de este proyecto. También encontramos el poso de café o té, el hueso de oliva, el corcho, cortezas etc. [8]

4. Uso del raspo de uva como biosorbente

4.1. El proceso: de residuo a biosorbente

El raspo de uva es un biomaterial procedente de la industria vinícola. En esta industria se trata como residuo: de este modo, lo queman para eliminarlo. En algunos casos puede destinarse a la producción de abonos aunque no es su uso más habitual. Una vez se deshecha en la industria vinícola debe asumir un proceso de transformación para poder usar el escobajo como biosorbente. De este modo, el tratamiento del residuo vegetal consta de cuatro partes: desbrozado a mano, lavado, secado y molido o tamizado. Este proceso ayuda, pues, a la reutilización de un residuo para regenerar y descontaminar un agua dañada por metales pesados. El proceso consta de los siguientes pasos:

  • Desbrozado: consiste en desmenuzar porciones de raspo de uva con las manos desnudas. Deben obtenerse trozos de tamaño pequeño para facilitar el molido posterior.

  • Lavado: puede realizarse a mano o mediante el uso de ultrasonidos.

  • Secado: se usan estufas programadas. Al finalizar, se debe comprobar que el agua se ha evaporado totalmente.

  • Molido y tamizado: se trata de moler el residuo hasta obtener un tamaño de grano entre 1’2 y 0’89 mm. De esta forma, se va ajustando el molido hasta obtener los tamaños óptimos de grano.

Una vez transformado en biosorbente el raspo de uva se utiliza para la eliminación de metales pesados como el cobre y el níquel, siendo más efectivo para el cobre.  [1]

 

Figura 3 y 4.  Rapa de uva o rampojo antes de procesarlo como biosorbente. 

4.2. Proceso de sorción

 

El raspo de uva, al igual que las cortezas de muchos árboles, contiene materiales ricos en taninos. Los taninos están compuestos por grupos de polifenoles, que aportan eficiencia en la extracción de metales, gracias a los hidroxilos que participan activamente. Desgraciadamente, estos compuestos dan coloración al medio acuático, por lo que es necesario eliminar el color con un pretratamiento químico, sobretodo a pH básicos. [19]

4.3. Otros residuos biosorbentes

Además del raspo de uva, existen otros biomateriales que son buenos sorbentes de metales tóxicos. Todos tienen un bajo coste. Asimismo, usándolos como biosorbentes se evitará que se deshechen como residuos. Se nombran algunos de ellos a continuación:

  • Marro de café: por su efectividad en la eliminación de Cd(II) y Cr(VI) en agua ha sido comparado con el carbón activo. [20]

  • Hueso de oliva: se genera en el proceso de obtención del aceite. Este residuo, después de ser molido y lavado, se utiliza para la eliminación de Cu(II), Pb(II) y  Cd (II). [21]

  • Corcho: se extrae de la corteza exterior del roble. Se utiliza como sorbente en la eliminación de Cu(II) y Ni(II) en agua.

  • Corteza de Yohimba: proviene de la corteza de un árbol tropical. Ha sido eficazmente usado como sorbente de metales pesados como Cu(II) y Ni(II). [22]

Casi todos ellos, al igual que el rapo de uva, son materiales ricos en taninos: responsables de la extracción del metal.

  

Figura 5.  Residuos biosorbentes. De izquierda a derecha: marro de café, corteza de Yohimba, corcho y hueso de oliva.

4.4. Variables en el proceso de biosorción

Para poder obtener los mejores resultados en el proceso de biosorción se requiere un conocimiento previo de las mejores condiciones experimentales. Se debe tener en cuenta la sustancia a eliminar (adsorbato/sorbato) y la estructura y características del sorbente. Las variables más importantes en la eliminación del metal son el tiempo de equilibrio, la temperatura, el pH, la fuerza iónica y la influencia del pretatamiento del biosorbente.  [23]

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