Evaluación de dos resinas aniónicas en el proceso de electrodesionización para la remoción de arsénico en aguas sintéticas Público Deposited
El arsénico es un semimetal que puede estar presente en cuerpos de agua superficial y subterránea debido principalmente a la disolución de minerales que lo contienen. Si esta agua se destina al consumo humano, se generan efectos adversos a la salud, como daño a los riñones, hígado, vejiga, pulmones y al sistema nervioso central. El envenenamiento por arsénico provoca también lesiones en la piel y, en casos más severos, distintos tipos de cáncer, coma, ataques al corazón e incluso la muerte. Por lo cual es necesario desarrollar tecnologías eficientes y de bajo costo para removerlo del agua. En esta dirección, la transformación química o biológica del arsénico se dificulta en gran medida debido a su estructura, por lo cual sólo algunas técnicas son competentes para su tratamiento. La electrodesionización (EDI) es una tecnología híbrida que combina sinérgicamente resinas y membranas de intercambio iónico en una celda electrolítica que promueve la migración de iones mediante la aplicación de corriente eléctrica. La principal ventaja de esta tecnología es la continua regeneración del lecho de resinas, debido a la reacción de hidrólisis del agua, en la que los iones H+ y OH- desplazan a los iones remanentes. Sin embargo, esta tecnología ha sido escasamente explorada para la remoción de especies arsenicales. En el presente trabajo, se eligieron dos resinas aniónicas disponibles comercialmente: Amberlite IRA-900 de Sigma Aldrich y ASM-10-HP de Resintech. Se efectuaron isotermas y cinéticas de adsorción y se ajustaron los datos experimentales a modelos de isotermas y a modelos cinéticos no lineales para determinar la capacidad de adsorción de las resinas en ausencia del campo eléctrico. Las soluciones sintéticas (50 mg mL-1 As) que se emplearon para cada prueba de adsorción y de electrodesionización fueron preparadas usando arseniato de sodio heptahidratado y agua desionizada. Posteriormente, se construyó una celda de 3 compartimientos. Se usó una placa de acero inoxidable como cátodo y una placa de titanio dopada con óxidos de iridio y rutenio (Ti/RuO2-IrO2) como ánodo. Cada resina aniónica fue empacada en el compartimiento central de la celda junto con la resina catiónica (Amberlite IR-120 de Sigma Aldrich) en proporción 1:1 de la capacidad máxima de adsorción (mEq mL-1). El área efectiva de la celda fue de 24 cm2 y el caudal fue ajustado a 10 mLmin-1 en el compartimiento de diluido. Para conocer la densidad de corriente que debe ser aplicada al sistema, se efectuaron cronoamperometrías en celda con ausencia del lecho de resina. Los datos experimentales obtenidos de estos ensayos se introdujeron en un gráfico de potencial contra corriente, en donde, el punto de inflexión determina un cambio en el mecanismo de transporte iónico, y, por lo tanto, la magnitud de la densidad de corriente límite (jL). Las pruebas de remoción de arsénico fueron hechas a la densidad de corriente límite, y a un 10 % por arriba y por debajo de este valor durante 12 horas. La cuantificación del arsénico se efectuó por espectroscopía de absorción atómica con horno de grafito con un espectofotómetro Perkin Elmer AAnalyst 700. El pH, la conductividad y el potencial de óxido reducción fueron determinados durante todo el experimento. Bajo las condiciones experimentales planteadas, para la resina Amberlite IRA-900, las concentraciones de arsénico en el efluente del compartimiento del diluido fueron de 1.25 ± 0.04 mgL-1, 0.68 ± 0.02 mgL-1 y 0.75 ± 0.02 mgL-1 en las pruebas a la densidad de corriente límite (jL), a 0.9 jL y a 1.1 jL respectivamente, que corresponden a porcentajes de remoción de 97.5 ± 0.1 %, 98.6 ± 0.1 % y 98.5 ± 0.1 %. Mientras que para la resina ASM-10-HP las concentraciones finales fueron de 0.015 ± 0.002 mgL-1, 0.053 ± 0.003 mgL-1 y 0.039 ± 0.002 mgL-1 en las pruebas a la densidad de corriente límite (jL), a 0.9 jL y a 1.1 jL, respectivamente, obteniéndose porcentajes de remoción de 99.970 ± 0.004 %, 99.809 ± 0.005 % y 99.920 ± 0.004%. Sin embargo, la concentración final es más alta a los niveles establecidos en la norma oficial mexicana NOM–127–SSA1–1994 (0.025 mgL-1) y a la concentración máxima recomendada por la organización mundial de la salud (WHO: 0.010 mgL-1). La eficiencia de corriente y el consumo energético fue de 16.7 % y 6.36 kWh/mol As (V) para Amberlite IRA 900 y de 18.99 % y 5.99 kWh/mol As (V) para ASM-10-HP en las pruebas con el mejor resultado en remoción de arsénico. A pesar de que la resina ASM-10-HP logra adsorber mayor cantidad de arsénico, la resina Amberlite IRA-900 demostró ser la mejor opción para su uso en electrodesionización debido a que esta se regenera electroquímicamente de manera continua
Arsenic is a semimetal that can be present in surface and underground water bodies mainly due to dissolution of minerals that contain it. If this water is used for human consumption, adverse effects on health are generated, such as damage to the kidneys, liver, bladder, lungs and the central nervous system. Arsenic poisoning also causes skin lesions and, in more severe cases, different types of cancer, coma, heart attacks and even death. Whence it is necessary to develop efficient and low-cost technologies to remove it from water. In this direction, just a few techniques are competent for its treatment as a result of its structure which constrains its chemical or biological transformation. Electrodeionization (EDI) is a hybrid technology that synergistically combines ion exchange membranes and resins in an electrolytic cell, thus promoting the migration of ionic species throug the application of an electric current. The main advantage of this technology is the continuous regeneration of the resin bed due to the water hydrolysis reaction: The H+ and OH- displace the remaining ions. However, it has been scarcely explored for the removal of arsenic species. In the present work, two commercial anionic resins (Ambertlite IRA-900 from Sigma Aldrich and ASM-10-HP from Resintech) were selected. Adsorption isotherms and kinetics were carry out and the experimental data was fitted to nonlinear isotherms and kinetic models. The synthetic solutions (50 mg mL-1) that were used in each adsorption and electrodeionization test were prepared using sodium arsenate heptahydrate and deionized water. Then, a three-compartment cell was built. A stainless steel plate was used as a cathode and a titanium plate doped with iridium and ruthenium oxides (Ti /RuO2-IrO2) as anode. Each anionic resin was packed into the central compartment with the cationic resin (Amberlite IR-120 from Sigma Aldrich) in proportion 1:1 as the maximum adsorption capacity (mEq/mL). The effective area of the cell was 24 cm2, and the flow rate was 10 ml min-1 in the diluted compartment. To know the current density that must be applied to the system, chronoamperometries were carry out in cell without resin bed. The experimental data obtained was introduced in a potencial-current graph, where the inflection point determines a change in the ionic transport mechanism, and therefore, the magnitude of the limiting current density (jL) The arsenic removal tests were carried out at limiting current density and 10% above and below this value for 12 hours. The arsenic quantification was performed by a graphite furnace atomic absorption spectroscopy (GFAAS) using a Perkin Elmer AAnalyst 700 spectrometer. The pH, conductivity and redox potential were determined during the experiment. Under the experimental conditions, for the Amberlite IRA-900 resin, the arsenic concentrations in the diluted compartment outlet were 1.25 ± 0.04 mgL-1, 0.68 ± 0.02 mgL1 and 0.75 ± 0.02 mgL-1 for the tests at the limiting current density (jL), 0.9 jL and 1.1 jL respectively, that corresponds to removal percentages of 97.5 ± 0.1 %, 98.6 ± 0.1 % and 98.5 ± 0.1 %. Whilst, for the ASM-10-HP resin, the final concentrations were 0.015 ± 0.002 mgL-1, 0.053 ± 0.003 mgL-1 and 0.039 ± 0.002 mgL-1 for the tests at the limiting current density (jL), 0.9 jL and 1.1 jL respectively. The removal percentages obtained were 99.970 ± 0.004 %, 99.890 ± 0.005 % and 99.920 ± 0.004 % However, the final concentration is higher than the levels stablished in the official Mexican standard NOM-127-SSA1-1994 (0.025 mgL1) and the maximum concentration recommended by the world health organization (WHO: 0.010 mgL-1). The current efficiency and the energy consumption of the Amberlite IRA-900 resin were 16.7 % and 6.36 kWh/mol As V, and for ASM-10-HP resin, were 18.99 % and 5.99 kWh/mol As V respectively for the best results in the arsenic removal tests. Although the ASM-10-HP resin manages to adsorb a greater amount of arsenic, the AmberliteIRA-900 resin is the best option in an electrodeionization process due to its continuous regeneration
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