Costes asociados a la remoción de cromo hexavalente del agua con biocarbón activado de sargazo comparado contra el uso de sargazo natural

El proceso de adsorción consiste en que uno o más componentes de un líquido o un gas se adhieren a la superficie de un material sólido. Los adsorbentes comerciales son altamente porosos y pueden tener área superficial que desde 100 hasta 1,200 m2/g. La afinidad de un componente de un fluido por un adsorbente en particular depende de características moleculares como tamaño, forma y polaridad, la concentración del componente en el fluido y la temperatura del sistema. La atracción sucede por las fuerzas de Van der Waals (Keesom, Debye y London) entre moléculas con distintas polaridades. En los procesos de adsorción, la energía de enlace va de 10 a 70 kJ/mol, mucho menor que la energía necesaria para un enlace covalente (200-500 kJ/mol). Esto permite que el proceso de adsorción se realice y al mismo tiempo que el adsorbente se pueda regenerar fácilmente. En los procesos de tratamiento de agua se utiliza para remover sustancias contaminantes del agua, los cuales se depositan en la superficie de un material sólido adsorbente. Los adsorbentes más utilizados en orden de importancia comercial decreciente son: carbón activado, zeolitas, silica gel, alumina activada y adsorbentes poliméricos. Ya que comúnmente se utiliza carbón activado. En primer lugar, vamos a definir los diferentes conceptos de carbón que existen.

El carbón vegetal es un carbón negro y poroso preparado de sustancias animales o vegetales a partir de un proceso de combustión incompleta cuando se someten a calor en ausencia de aire. A este proceso se le conoce como carbonización (charring). El término técnico para este proceso es pirólisis. El proceso de pirólisis consiste en la descomposición térmica de materiales a ciertas temperaturas en una atmósfera inerte (sin oxígeno). La palabra pirólisis proviene del griego pyro (πυρ) que significa calor, fiebre o fuego y de lysis (λυσις) que significa separación o pérdida. En general, el proceso de pirólisis de sustancias orgánicas produce sustancias volátiles, separa el hidrógeno y el oxígeno del sólido y deja un residuo sólido conocido como carbón (en inglés char), compuesto principalmente por carbono. Este material también se conoce en inglés como charcoal y se diferencia del carbón mineral (coal en inglés) porque el carbón mineral es una roca sedimentaria compuesta principalmente por carbono y utilizada como combustible fósil; formado por la descomposición de vegetales del periodo carbonífero y se clasifican por su contenido de carbono en antracítico (hulla), bituminoso, sub-bituminoso y lignítico.

El biocarbón (biochar en inglés) es exactamente lo mismo que el carbón vegetal, es decir, carbón producido a partir de sustancias animales o vegetales pero que se utiliza como enmienda de suelos y absorbente. En la Figura 1 se muestra una micrografía de una partícula de biocarbón de sargazo. La composición final del carbón obtenido a partir de diferentes procesos de pirólisis es importante también para producir carbón vegetal (charcoal) o biocarbón (biochar). El carbón vegetal se piroliza usualmente a bajas temperaturas puesto que se busca mantener las sustancias volátiles (que son hidrocarburos inflamables) dentro del material sólido ya que el carbón vegetal (charcoal) se usa como combustible y estas sustancias volátiles contribuyen a su contenido energético. Mientras que el biocarbón (biochar) es un material que debe estar libre de sustancias volátiles indeseables para la enmienda de suelos —puesto que pueden lixiviar hacia los mantos acuíferos y contaminar el agua—, por lo que se piroliza a temperaturas más altas. Esto último no es un acuerdo formal, es decir, no necesariamente deben pasar por dichos procesos para poder catalogarse como carbón vegetal o biocarbón, pero definitivamente tiene cierto sentido. A pesar de que la torrefacción, la carbonización hidrotermal y la producción de coque son procesos de carbonización, los productos finales no se pueden llamar biocarbón de acuerdo con el Certificado Europeo de Biocarbón (European Biocarbon Certificate, EBC) ya que define al biocarbón como un carbón espefífico de pirólisis caracterizado por su producción ambientalmente sostenible, calidad y características de uso. La gasificación puede certificarse mediante el EBC si el proceso se optimiza para la producción de biocarbón. En 2015, la Iniciativa Internacional del Biocarbón (International Biochar Initiative, IBI) definió al biocarbón como un material sólido obtenido de la conversión termomecánica de biomasa en un ambiente con oxígeno limitado. El biocarbon puede utilizarse como un producto en sí mismo o como un ingrediente dentro de una mezcla de productos con una gran variedad de aplicaciones que van desde la mejora de suelos, remediación o protección contra un contaminante ambiental hasta ser usado como una via para la mitigación de gases de efecto invernadero. El estándar de biocarbón de la IBI proporciona una definición estandarizada del biocarbón y las características del biocarbón utilizado como mejorador de suelos; sin embargo no establece ni recomienda los usos apropiados de materiales de biocarbón ni tampoco proporciona una guía sobre qué biocarbón puede ser usado para qué fin. Más aún, el estándar es relativo a las propiedades fisicoquímicas del biocarbón solamente y no recomienda métodos de producción ni materias primas específicas para prepararlo.

Carbón activado. En un carbón que se puede fabricar a partir de cualquier material rico en carbono. Para que el producto sea rentable se requiere que la materia prima tenga un alto contenido de carbono y se produzca fácilmente. Las materias primas más utilizadas son carbón mineral bituminoso, madera, fibra de coco, lignito y madera. Es un material en forma de polvo, gránulos o pellets que se produce principalmente por pirólisis entre 800 y 1000 °C para activarlo. El proceso de activación incrementa su capacidad de adsorción al remover contaminantes de la superficie del adsorbente y generar una gran cantidad de poros.

La activación puede ser térmica, calentando el material hasta 1000 °C o más para descomponer las impurezas y luego se expone a una atmósfera oxidante para para incrementar el volumen de poros. También puede hacerse una activación química utilizando ácido fosfórico, hidróxido de potasio o sales de cloruro de zinc, entre otros reactivos.

En la Figura 2 se presenta un mapa conceptual muy genérico del carbón activado, las materias primas que se utilizan, los medios de activación y la forma y tamaño de poro que pueden tener.

Los productos de carbón activado pueden ser granulares, pelletizados o en polvo. El carbón activado en polvo tiene mayor velocidad de transferencia de masa, pero solo es práctico para usarse en el tratamiento de líquidos en un tanque de mezclado por lotes y no puede ser utilizado en columnas por la gran caída de presión que genera. El carbón saturado debe removerse por filtración y su regeneración no es práctica. En la Figura 3 se muestra una perla de quitosán —un biopolímero que se obtiene del caparazón de los crustáceos y que tiene propiedades interesantes— y partículas de biocarbón de sargazo. Estas perlas tienen la ventaja de ser manejables por su tamaño (unos cuantos milímetros de diámetro) y se pueden remover fácilmente del agua.

En el norte del océano Atlántico se encuentra una región conocida como el Mar de Sargazo formado por grandes alfombras de alga café —Sargassum natans y Sargassum fluitans—. En 2011, grandes cantidades de alga llegaron al Atlántico central y se depositaron en las costas de las playas de islas del Caribe. En 2018, las grandes alfombras de alga crecieron hasta convertirse en el mayor crecimiento de macroalga registrado en la historia, una masa de 8,850 km de longitud que se extendió desde el mar Caribe y Atlántico central hasta las costas de África occidental y el Golfo de México. Esto se ha convertido en un problema pues genera problemas ambientales como bloquear la luz solar necesaria para los arrecifes de coral o evitar que las tortugas puedan anidar en las playas. Además, existe un impacto económico pues ahuyenta el turismo. México ha gastado 17 millones de dólares para retirar el alga marina de las playas del Caribe mexicano desde el primer arribo en 2011. Pero el sargazo tiene también algunas ventajas: se puede procesar para obtener materias primas —como alginato y agar— para fabricar alimentos y cosméticos; se puede también utilizar para elaborar biocombustible. Sin embargo, las algas silvestres pueden contener materiales tóxicos adsorbidos directamente del agua de mar. Las industrias que utilizan algas para elaborar materias primas tienen sus propias granjas donde crecen las algas en un ambiente controlado. La producción global de alga marina se ha triplicado en las últimas dos décadas. En México, la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación (antes Consejo Nacional de Humanidades, Ciencia y Tecnología) definió una agenda para la atención, adaptación y mitigación del arribo del sargazo pelágico al Caribe Mexicano. Una propuesta para utilizar las algas silvestres o el arribo de sargazo a las playas mexicanas, es utilizar la biomasa como adsorbente de contaminantes del agua. En la Figura 4 se muestra una micrografía óptica de partículas y fibras de sargazo de playas del Caribe Mexicano.

En nuestras investigaciones utilizamos sargazo del mar del Caribe para adsorber cromo hexavalente del agua, realizamos pruebas con sargazo y con biocarbón activado producido a partir de sargazo. Uno de los hallazgos que encontramos es que la adsorción del cromo hexavalente es 1.5 veces mayor en el biocarbón activado que en el sargazo natural. Esto concuerda con toda la información técnica que los carbones activados tienen una gran capacidad de adsorción. También consideramos necesario realizar cálculos para establecer la viabilidad económica de la fabricación del adsorbente. La viabilidad económica debe considerar el costo por unidad de masa de la materia prima, el costo del proceso de síntesis (pirólisis lenta o rápida), el costo del método de activación (la activación química es más costosa), el costo de los procesos de lavado, los costes de postproceso (extrusión). Para efectos de comparación, se puede estimar el costo de adsorbente por gramo de adsorbato removido suponiendo que los costes de operación son similares. Una variable importante para considerar es el rendimiento de biocarbón, es decir la cantidad de bicarbón producido a partir de la biomasa determinada. Esto depende tanto del contenido de carbono inicial en la biomasa (plantas, residuos agrícolas, residuos municipales, algas) como de los parámetros del proceso (tiempo de residencia, temperatura de pirólisis, contenido de oxígeno en la atmósfera). En el caso de los experimentos realizados, observamos que el rendimiento del sargazo —correspondiente a la mayor adsorción observada— fue de alrededor del 60-70 %. Es decir, por cada 10 kg de sargazo se pueden obtener hasta 7 kg de biocarbón. Esto nos lleva a considerar que la cantidad neta de cromo hexavalente removida por cada kg de sargazo, es prácticamente la misma si utilizamos el sargazo natural o si utilizamos el biocarbón de sargazo, ejemplo: si usamos un kg de sargazo y la capacidad de remoción es de ~13 mg de Cr(VI) por gramo, entonces se pueden remover 13 g de Cr(VI). Ahora, si este sargazo lo procesamos para obtener biocarbón activado, aumenta su capacidad de adsorción hasta 21 mg de Cr(VI) por gramo, pero su rendimiento es de aproximadamente 65 %, por lo que tendremos 650 g de biocarbón que pueden remover en total unos 13.65 g de Cr(VI). Evidentemente estos son cálculos preliminares y es necesario utilizar técnicas matemáticas de optimización para obtener el mínimo de costes y máximo de utilidad a fin de generar un estudio más profundo. Pero estos cálculos preliminares nos indican que podemos utilizar el sargazo directamente sin necesidad de elaborar el biocarbón, eliminando los costes asociados a la producción. Sin embargo, también tendremos una mayor cantidad de residuos de biomasa contaminada con el metal, ¿qué hacer ahora con el residuo? Existen varias propuestas para el tratamiento del residuo saturado para considerar sustentables estos procesos de descontaminación. Una posibilidad es regenerar el adsorbente y concentrar el contaminante en una masa de agua menor; el adsorbente solamente se puede volver a utilizar una cierta cantidad de veces y debe tener una disposición final. También se puede utilizar como fertilizante —dependiendo del material contaminante— o como catalizador. Otra posibilidad es disponerlo en rellenos sanitarios o confinarlos. También se pueden utilizar como combustibles en los hornos de cemento, que actualmente están utilizando biomasa para reducir su huella de carbono.

En la Figura 5 se presentan un par de experimentos de adsorción mediante biocarbon de sargazo (A) y sargazo natural (B). El cromo hexavalente en concentración de 50 mg/L se presenta en (C) y tiene un color amarillo intenso. Una vez que el cromo hexavalente es adsorbido en los materiales adsorbentes, la solución deja de ser amarilla pues el cromo es quien genera el color. Dependiendo la cantidad de cromo hexavalente adsorbido, será la intensidad del color, mientras más se adsorba menos color amarillo resultante y más transparente la solución. En el caso del sargazo natural, se presentan dos experimentos con distinto tamaño de partícula y se puede observar que la solución no es tan clara como con el carbón activado de sargazo. Esto se debe a que tiene menor capacidad de adsorción como se explicó antes. Es muy importante realizar investigaciones para aprovechar los residuos de las diferentes industrias o generados por la acción del ser humano (como la aparición del Mar de Sargazo) en otros problemas graves que nos afectan, con la finalidad de realizar una economía circular. Aunque la Organización de las Naciones Unidas tiene como una de sus metas proporcionar acceso universal a agua segura para 2030, este objetivo parece lejos de cumplirse si no realizamos mayor inversión en investigaciones que ayuden a conseguir estos objetivos.

Los autores agradecen el apoyo del Tecnológico Nacional de México al proyecto 20137.24 P y a la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación (Secihti, antes Conahcyt) por la beca de estudios de maestría de MGFF.

Bibliografía

Bennet, H. (19 de agosto de 2024). Seaweed Success. Chemistry World. https://www.chemistryworld.com/features/seaweed-success/4019791.article

Chemical & Engineering News. (diciembre de 2022). Discovery Report: The future of clean water. American Chemical Society.

European Biochar Certificate (2012-2024). European Biochar Certificate - Guidelines for a Sustainable Production of Biochar. Carbon Standards International (Version 10.4 from 20th Dec 2024). http://european-biochar.org

Flores Martínez, M. G. (2024). Elaboración de perlas a base de quitosán y biocarbón de sargazo para remoción de cromo hexavalente en agua y modelado de cinéticas de adsorción. [Tesis de maestría no publicada]. Tecnológico Nacional de México.

Gabelman, A. (agosto de 2017). Adsorption Basics: Part 2. Chemical Engineering Progress, 38-45.

Gabelman, A. (julio de 2017). Adsorption Basics: Part 1. Chemical Engineering Progress, 48-53.

International Biochar Initiative. (23 de noviembre de 2015). Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar That Is Used in Soil. (Document code IBI-STD-2.1, Version 2.1 1).

Kusuma, R. T:, Hiremath, R. B., Rajesh, P., Kumar, B. y Renukappa, S. (2022). Sustainable transition towards biomass-based cement industry: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 163, Artículo 112503. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112503

Olatoyan, O. J., Kareem, M. A., Adebanjo, A. U., Olawale, S. O. A.y Alao, K. T. (2023). Potential use of biomass ash as a sustainable alternative for fly ash in concrete production: A review. Hybrid Advances, 4, Artículo 100076. https://doi.org/10.1016/j.hybadv.2023.100076

Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación. (2019). Micrositio del sargazo. https://secihti.mx/sargazo/index.php

Taylor, A. (1 de septiembre de 2019). Sargassum is strangling tourism in the Caribbean. Can scientists find a use for it? Chemical & Engineering News, 97(34). https://cen.acs.org/environment/sustainability/Sargassum-strangling-tourism-Caribbean-scientists/97/i34?ref=search_results

Zygourakis, K. (2017), Biochar soil amendments for increased crop yields: How to design a “designer” biochar. AIChE J., 63, 5425-5437. https://doi.org/10.1002/aic.15870