Caracterización y evaluación de ácidos húmicos como

Caracterización y evaluación de ácidos húmicos como

Caracterización y evaluación de ácidos húmicos como
biosurfactante, con uso potencial en tratamiento de suelos
contaminados con hidrocarburos
Víctor Ángel Ramírez Coutiño, *Francisco Javier Rodríguez Valadez, Luis Torres Bustillos
*
[email protected]
Resumen
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Los ácidos húmicos son macromoléculas orgánicas presentes en suelos, generadas por la
descomposición de plantas y animales con una amplia gama de pesos moleculares. Su estructura
molecular es heterogénea, sin embargo los grupos funcionales que se encuentran en mayoría son los
COOH y OH unidos a estructuras aromáticas y estas a su vez a largas ramificaciones alifáticas. En
este trabajo se caracterizaron ácidos húmicos de diferentes orígenes, mediante determinación de
grupos COOH, OH, relaciones espectrométricas E4/E6, FT-IR, cambios en la tensión superficial
del agua con aumentos en la concentración de ácidos húmicos, diferentes condiciones de pH y
adición de cationes, con el objetivo de correlacionar los resultados y evaluar cuál de estas
posiblemente influyen mayoritariamente en las mejores características surfactantes para uso
potencial en lavados de suelos contaminados con hidrocarburos (naftaleno, antraceno y pireno). Los
resultados obtenidos nos sugieren que posiblemente las características que repercuten más en los
ácidos húmicos son el tamaño molecular y el contenido de grupos COOH, pudiendo obtener
menores tensiones superficiales del agua con aumento en la concentración de ácidos de menor
tamaño molecular y mayor contenido de grupos COOH. Los mayores cambios en las tensiones
superficiales a diferente pH y adición de cationes se presentaron también en los ácidos con estas
características. Los lavados de suelo mostraron la viabilidad de utilizar ácidos húmicos como
biosurfactantes para remover hidrocarburos, obteniendo diferentes porcentajes de remoción
dependiendo del contaminante, del ácido húmico empleado y de su concentración.
Palabras claves: tensión superficial, lavado de suelo, macromoléculas orgánicas
1. Introducción
Entre las técnicas de remediación se encuentra el lavado de suelos, en las que se emplean soluciones
de surfactantes sintéticos para la remoción del contaminante [1]. Sin embargo el uso de éstos puede
ser limitado debido a su costo y toxicidad biológica. Los ácidos húmicos (AH) son sustancias las
cuales posiblemente pueden utilizarse como biosurfactantes debido a su carácter anfifilico
[2],[3].Los AH al ser generados por la degradación microbiana de restos de plantas y animales [4],
se encaminan a ser una mejor opción por ser ambientalmente amigables, de ahí la importancia de
evaluar sus características surfactantes.
2. Metodología
Tres diferentes ácidos húmicos fueron empleados en este trabajo: LPM) Composta producida de
lodo residual-pasto de corte-residuos de maleza; LPT) Composta empleando lodo residual-pasto de
recorte-piedra tezontle y LC) Un comercial producto consistiendo en humus de lombricomposta.
2.1 Extracción de ácidos húmicos
Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima
© 2011 pp 571-579 ISBN 978-607-607-015-4
Los ácidos húmicos fueron extraídos de 10 g de muestra con 100 mL de Na4P2O7 0.1 M en
agitación por 24 h. Los extractos fueron centrifugados durante 20 min a 4000 g, el sobrenadante fue
cuidadosamente removido y filtrado a 0.45 µm con membrana de celulosa. La solución fue
acidificada con 5 M HCl a pH 2 manteniéndolo por 24 h a 4 °C; posteriormente fue centrifugado
por 20 min a 4000 g y separamos el precipitado conteniendo la fracción AH, lavando 2 veces con
0.1 M HCl y agua desionizada. Los AH fueron purificados con 0.06 M HCl por 12 h, centrifugando
y lavando con agua desionizada. El AH obtenido fue secado a temperatura ambiente para usar en
los posteriores análisis.
2.2 Análisis UV-Vis (E4/E6)
Las muestras de AH (3 mg) fueron disueltas en 10 mL de 0.05 M NaHCO3. Los espectros UV-Vis
fueron medidos en un rango de 200-800 nm con un espectrofotometro Hach D/R 100. Las
relaciones E4/E6 fueron calculados como la relación de absorbancia entre 465 y 665 nm [5].
2.3 Cuantificación de grupos funcionales
La acidez total y grupos carboxilicos de los AH fueron medidos por titulación con hidróxido de
bario y acetato de calcio respectivamente, de acuerdo al método convencionas descrito por
Schnitzer (1977). El contenido de grupos OH fue calculado por la diferencia entre la acidez total y
grupos carboxilicos. El contenido acido-base de los HA fue reportado como un promedio de tres
titulaciones.
2.4. Tensión superficial para soluciones de AH
Soluciones conteniendo diferentes concentraciones de los tres AH fueron preparados con el fin de
determinar el comportamiento de la tension superficial en solución. Las soluciones fueron
preparados con HA seco y 0.1 M NaOH en concentraciones entre 10 and 6000 mg/L, ajustando el
pH a 11.8 con 0.1 M HCl y filtrado a 0.45 µm. Las soluciones fueron permitidad reposar 12 h antes
de su medición. Todas las tensiones superficiales (ST) fueron desarrollados por duplicado y la
temperatura fue mantenida a 25+ 0.2. En un segundo paso, las soluciones conteniendo 1,000 mg/l
de HA disuelto en 0.1 M NaOH fueron ajustados a diferentes pH con 0.1 M HCl en el rango de 27unidades. En el tercer paso, las soluciones de diferentes AH a 1,000 mg/L fueron preparadas
como en el segundo paso, ajustando el pH a 6 con 0.1 M HCl. Los cationes Ca++ o Fe+++ fueron
adicionados con en concentraciones entre 1 x 10-5 and 1 x10-2 M.
Todas las soluciones fueron caracterizadas usando la metodología del anillo de Du-Noy con un
tensiómetro en laboratorio (Cole Palmer, USA). El anillo de platino fue lavado después de cada
medición y limpiado con acetona (J.T.Baker, Mexico) y secado con llama con el fin de quitar
cualquier particular orgánica la cual produciría errores en los resultados.
2.5 Lavados de suelo con AH
Para los lavados, se contaminaron 10 g de suelo con naftaleno, antraceno y pireno disueltos en
acetonitrilo de tal forma que la concentración final en suelo fuera de 200 mg/kg de suelo. Después
de 24 hr de contacto, se realiza el lavado con soluciones de ácidos húmicos a 150, 2000, 5000, y
6000 mg/l, a diferentes medios de pH preparadas como en los experimentes de las TS, cabe
mencionar que se realizo un lavado con agua destilada la cual fue tomada como control.
Posteriormente se lleva a centrifugación, el residuo solido obtenido se lleva a secado en horno a 40
°C por 48 hr. Se procede a la extracción del contaminante por el método soxhlet durante 4 hr, al
finalizar se solubiliza el contaminante con acetato de etilo para cuantificación en equipo HPLC.
3. Resultados
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En la Tabla 1. Se puede observar que existe una mayor acidez total en el AH extraído de la
composta LPM y que la elevada acidez total es atribuida al alto contenido de grupos OH fenólicos.
Por otro lado este mismo AH tiene el menor contenido de grupos carboxílicos. Las relaciones
E4/E6 muestran que el mayor contenido de grupos aromáticos esta presente en LC en comparación
con la gran cantidad de grupos alifáticos presentes en LPM y LPT. Las diferencias entre los AH son
debidas a los diferentes orígenes de cada uno de ellos.
Tabla 1. Cuantificación de grupos funcionales de ácidos húmicos.
Origen del ácido
húmico
LPM
LPT
LC
Acidez total COOH-OH
(meq/g)
13.11
10.11
12.30
COOH
(meq/g).
1.49
2.12
2.96
OH
(meq/g)
11.52
7.99
9.34
E4/E6
7
7.6
5
La Figura 1, se muestra la disminución de TS con aumentos en la concentración del AH, fenómeno
característico de un surfactante. La concentración micelar crítica (CMC) se encuentra en 2000 mg/l
con una TS de 51 Dinas/cm, 3000 mg/l con TS 53 Dinas/cm y 5000 mg/l con TS de 65 Dinas/cm
para LPM, LPT y LC respectivamente. Por lo que se puede ver la más baja CMC y TS se genero en
LPM, lo cual indica que se necesita menos cantidad de ácido húmico para lograr disminuciones
significativas en la tensión superficial del agua lo que lo lleva a ser el producto más económico si se
aplicara en la práctica.
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Figura 1. Disminución de la tensión superficial del agua con aumentos en las concentraciones de los ácidos
húmicos
Figura 2. Efecto del pH sobre la tensión superficial del agua con a una concentración fija de ácidos húmicos
(1000mg/l)
Se puede notar en la Figura 2, similares tendencias en los tres AH decreciendo la TS con
decrementos en el pH, obteniendo la menor TS de 61 Dinas/cm en LPM a pH 3. Los decrementos
de la TS en los AH es debido a la neutralización de los grupos ácidos principalmente carboxilos los
cuales se protonan paulatinamente con la disminución del pH, siendo mas evidente en LPM puesto
que tiene menor contenido de grupos carboxilos provocando la mayor disminución de TS.
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Figura 3. Variación de la tensión superficial del agua mediante incorporación de iones Ca 2+ y Fe 3+a una
concentración fija de ácidos húmicos (1000mg/l a pH 6)
En la Figura 3. Es interesante notar como con la simple incorporación de los iones la tensión
superficial disminuye en todos los AH, siendo mas evidente en Fe 3+ en la mínima concentración.
Posteriormente con el aumento en la concentración de los iones, existen aumentos en la TS siendo
mas estable LC al aumentar los iones, no así LPM el cual presente aumentos y disminuciones en la
TS pudiéndose atribuir estos cambios a la interacción intra-intermolecular de los grupos carboxilos
con los iones originando una modificación en la estructura del AH.
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Figura 4. Remoción de Naftaleno, antraceno y pireno en suelo mediante lavado con ácidos húmicos
La Figura 4. Muestra los lavados de suelos contaminados, donde se puede observar que no existe
una correlación entre la concentración de las soluciones de AH con los % de remoción de
contaminantes, ya que se nota en algunos casos que a menor concentración mayor remoción. Sin
embargo se puede notar como todos los AH tienen prometedores porcentajes de remoción, además,
se ve que existe una mayor remoción de los contaminantes a pH 7 que a pH 4, esto debido a que los
grupos ácidos de los AH a pH 7 se encuentras cargados negativamente pudiendo presentar fuerzas
electrostáticas que provocan el alargamiento de la estructura de tal forma que los grupos
hidrofóbicos quedan mayormente expuestos y facilitan la interacción con los contaminantes
eficientando su remoción.
4. Conclusiones
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El ácido que tiene mejores características surfactantes es LPM, por disminuir más la TS a menor
CMC lo cual hace más económico su uso. El medio de pH influye grandemente en la disminución
de las TS de los AH siendo más evidentes a pH bajos. La incorporación de iones puede ayudar
disminuir la TS a ciertas concentraciones, pudiendo eficientar el carácter surfactante del AH. Las
concentraciones de las soluciones de lavado de AH no son proporcionales a los porcentajes de
remoción sin embargo se observaron buenas remociones a bajas concentraciones. A pesar de que a
pH bajos se obtienen menores TS, los mejores porcentajes de remoción se obtuvieron a pH 7, lo
cual indica que influye mas el reordenamiento estructural del AH a ese medio de pH, facilitando el
contacto de grupos hidrofóbicos con los contaminantes.
Referencias Bibliográficas
[1] Conte P., A. Agretto, R. Spaccini and A. Piccolo. Soil remediation: humic acids as natural
surfactants in the washings of highly contaminated soils. Environmental Pollution. 2005. 135:515522.
[2] Berselli S., G. Milone, P. Canepa, D. Di Giola, F. Fava. Effects of cyclodextrins, humic
substances, and rhamnolipids on the washing of a historically contaminated soil and the aerobic
remediation of the resulted effluents. Biotechnology and Bioengineering. 2004. 88(1): 111-120.
[3] Maris, K., Oscar, P. Humic Substances as Surfactants. Environ. Chem. Springer. 2009.
[4] Stevenson, F.J. Humus Chemistry: Genesis Composition Reactions. Wiley Intersciencie New
York. 1994.pp. 1-54, 288-300.
[5] Schnitzer, M. Recent findings on the characterization of humic substances in the soil organic
matter studies simposyum. International Atomic Energy, Vienna 1977. pp. 117-131
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