https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/466/20910/Quimica_hoy_2021_Vol_10_No_4_Octubre-Diciembre.pdf 54c5051d887159f488b57b749c01eef4 PDF Text Text QUIMICA HOY ChemistQ Sciences Revista de la Universidad Autónoma de Nuevo León a través de la Facultad de Ciencias Qulmicas Octubre - Diciembre, 2021 Lm,re,idumd"�ulny , �Pl,IO::lti;fQY't:ttlr d..dj,,..,_fu.!'r..l!'I •Qit'"'-·(O •Orii,en(omtnial •Oitg<W1.1ndu1uui1 •OrrtpnAg,btl• .--, � r r IONES � � Soludón Acuo,adel Extracto OrganfCQ � Residuo¡ Org()ni cos Extracto de R!:siduos OrgániCO$ Mezd.11 para la Síntesi s dt N1:Jr\Oparúct.1las. Metáliúli Ag' Au' Cu' eu'· Fe'' Pb'· Au�• Fe1� r1 Nanopar1IOJlas Me1álicas. Si rtetizodas ..:. E Revista Química Hoy @QuimicaHoy �Carbonización hidrotermal del nejayote de maíz Yair Yosías Arriola Gil ª, Eduardo Soto-Regalado\ Nancy Elizabeth Dávila-Guzmánb y Margarita Loredo­ Cancinob* ªUniversidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingenieria Mecánica, Av. Universidad sin, Ciudad Universitaria, 66455, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México. bUniversidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas, Av. Universidad sin, Ciudad Universitaria, 66455, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México. *margarita. loredocn@uanl.edu.mx. Recibido 17 diciembre 2021, Aceptado 25 enero 2022 Resumen Los residuos líquidos del proceso de nixtamalización (nejayote) representan un problema ambiental debido a sus características fisicoquímicas y la disposición inadecuada de estos residuos por parte de algunos molinos. En esta investigación se propone el método de carbonización hidrotermal para el aprovechamiento del nejayote, ya que este método permite trabajar con biomasas que presenten un gran contenido de humedad. El nejayote fue obtenido en condiciones de laboratorio y se introdujo en un reactor hidrotermal con capacidad de 100 mL bajo las condiciones establecidas por un diseño de experimentos central compuesto. Una vez separados los productos resultantes (líquido y sólido), se secó la muestra sólida y se calcularon rendimientos. Posteriormente se buscaron las condiciones experimentales que maximizaran el rendimiento, encontrando el punto óptimo a una temperatura de carbonización de 200 ºC, pH de 3.3 y un tiempo en el rango de 12 a 24 horas; a estas condiciones se predice un rendimiento de 30 % con una deseabilidad de 0.919. Palabras clave: Nejayote, síntesis hidrotermal, carbón hidrotermal, hidrocarbón, optimización. Abstract Liquid residues from the nixtamalization process (nejayote) represent an environmental problem due to their physicochemical characteristics and sorne milis' inadequate disposal ofthese residues. In this research, the hydrothermal carbonization method is proposed far using nejayote since this method allows working with biomasses with high moisture content. The nejayote was obtained under laboratory conditions and was introduced into a hydrothermal reactor with a capacity of 100 mL under the conditions established by a central composite design of experiments. Once the resulting products (liquid and salid) were separated, the salid sample was dried, and the yield was calculated. Subsequently, the experimental conditions that maximized yield were sought, finding the optima! point at a carbonization temperature of 200 ºC, pH of 3.3, and a time in the range of 12 to 24 hours. Under these conditions, a yield of 30% is predicted with desirability of0.919. Keywords: Nejayote, hydrothermal synthesis, hydrothermal carbon, hydrochar, optimization l. Introducción El maíz es una pieza fundamental en la alimentación de todos los mexicanos y mexicanas, lo que propicia que la industria de los molinos de este grano sea tan basta en México. El maíz (Zea Mays L.) ha tenido varios nombres a lo largo de la historia: los nahuas de Mesoamérica lo llamaban centli y durante su propagación por el continente americano adquirió nombres como choclo, jojoto, corn, milho, elote y finalmente maíz con la llegada de los españoles a través de la adaptación fonética de mahís. De acuerdo con la Agencia de Servicios a la Comercialización y Desarrollo de Mercados Agropecuarios [l], en México se concentra el mayor número de variedades de maíz (más de 60) que forman parte de nuestra alimentación diaria. Por lo anterior, se puede considerar al maíz como el cultivo más representativo de México con un consumo promedio per cápita por año de 194.4 kg de maíz blanco, especialmente en forma de tortillas [2]. Con una población estimada de 119.5 millones de personas [3], una producción potencial de 24.56 millones de toneladas de maíz en 2016 y una estimación de 42.82 millones de toneladas para el año 2030 [2, 3] el consumo de maíz per cápita en México es uno de los más altos del mundo. Uno de los tratamientos más comunes para el maíz es la nixtamalización; originalmente desarrollado por las civilizaciones Mesoamericanas, es popular en México y centro América [4]. Su nombre proviene del náhuatl nixtli (cenizas) y tamalli (masa), y en la actualidad se sigue utilizando como en los tiempos prehispánicos. El maíz nixtamalizado molido es utilizado para fabricar la masa a partir de la cual se producen principalmente tortillas [5]. La industria de los molinos de maíz nixtamalizado contribuye significativamente al deterioro de la calidad del agua en México debido a la alta carga de contaminantes en sus aguas residuales. Existen dos tipos de establecimientos que procesan maíz, los molinos de nixtamal y las fábricas de maíz nixtamalizado que usan grandes cantidades de agua (de 500 a 1500 m 3/día) para la preparación y lavado del grano [6]. Las aguas residuales generadas del proceso de nixtamalización se conocen como nejayote, y se caracterizan por tener un pH alcalino y temperaturas de descarga elevadas [7]. Las características fisicoquimicas del nejayote descritas por diferentes autores superan los límites máximos permisibles por la norma oficial mexicana NOM-002-ECOL-1996. Según diversos autores, para procesar una tonelada de maíz se �requieren 2.15 m3 de agua y se producen 1.64 m3 de aguas de desecho o nejayote [8]. Si la producción máxima significa el consumo de 600 toneladas de maíz al día, el consumo de agua es de 1290 m3/día y la generación de nejayote de 984 m3/día; estos datos nos ayudan a dimensionar el impacto ambiental a los acuíferos relacionado con el proceso de nixtamalización. El nejayote con alta carga de materia orgánica y otros contaminantes es depositado en el drenaje o directamente en el suelo, lo que perjudica a los cuerpos de agua. Los procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales como centrifugación, sedimentación o filtración no son usados para el tratamiento del nejayote debido a la alta carga orgánica presente en este efluente [9]. Por tanto, es de interés encontrar un tratamiento alternativo para este residuo de alta generción en México. La fase sólida del nejayote está compuesta de diferentes materiales orgánicos conocidos como biomasa, la cual contiene principalmente carbohidratos como la celulosa, hemicelulosa, lignina y pequeñas cantidades de otras sustancias [1O]. La biomasa permite la obtención de productos sólidos, líquidos y gaseosos a través de diferentes procesos; esta investigación se enfocó en la obtención de productos sólidos a través del proceso hidrotermal. El término de carbonización hidrotermal usualmente se refiere a cualquier reacción heterogénea en presencia de solventes acuosos sometidos a altas presiones y temperaturas [11]. Es conveniente para procesar biomasa con un gran contenido de humedad como desechos de comida y lodos provenientes de plantas de tratamientos, entre otros. Del proceso de carbonización hidrotermal Se obtienen principalmente tres productos: sólido (hydrochar), líquido (bio-aceite) y gas (principalmente C02). Las condiciones del proceso, tales como temperatura, presión o contenido de humedad pueden favorecer la formación de uno u otro producto [12]. Se le denomina hydrochar al producto sólido resultante del proceso hidrotermal para distinguirlo del carbón producido en el proceso de pirólisis [13]. El hydrochar es el producto de la descomposición térmica de materiales orgánicos en un medio acuoso con escaso o limitado suministro de oxígeno a bajas temperaturas. Dentro de sus características fisicas se tiene que es un sólido carbonoso, de color negro y con una superficie desordenada [14], y puede ser utilizado principalmente en aplicaciones de remediación ambiental. 2. Parte experimental 2.1. Preparación del nejayote: Se preparó nixtamal en laboratorio bajo condiciones establecidas [4] y se dejó reposar a temperatura ambiente durante una noche. Posteriormente el nixtamal se lavó con agua; el resultado de la limpieza es un agua alcalina con alta carga de materia orgánica llamada nejayote. 2.2 Medición de parámetros: El pH fue medido con el equipo OrionStar A21 l pH-meter de la marca Thermo scientific. Los sólidos totales de las muestras fueron medidos conforme a lo establecido en la NMX-AA-034SCFI-2015 a una temperatura de 105 ºC ± 2 ºC. ') L ) Cl 2.3. Síntesis hidrotermal: Se colocó nejayote en un cilindro de teflón con capacidad de 100 mL que se introdujo en una coraza de acero inoxidable; posteriormente se introdujo a un horno Carbolite CWF-1300 con controlador Eurotherm 3216 a presión autógena. Las condiciones fueron dadas por el diseño de experimentos presentada en la Tabla l. Tabla 1. Matriz de diseño Orden Temperatura(ºC) 200 2 260 3 200 4 260 200 5 260 6 7 200 8 260 9 180 10 280 11 230 12 230 230 13 14 230 230 15 16 230 17 230 18 230 230 19 20 230 pH 2 2 6 6 2 2 6 6 4 4 0.6 7 4 4 4 4 4 4 4 4 Tiempo(h) 12 12 12 12 24 24 24 24 18 18 18 18 7.9 28 18 18 18 18 18 18 Rendimiento(%) 31.5 29.9 26.6 14.0 28.5 32.2 22.2 15.9 29.5 22.5 5.8 18.1 23.9 28.6 27.4 26.0 27.7 24.5 26.8 25.7 2.4. Rendimiento: El rendimiento másico del producto se definió como la relación entre la masa de precursor transformada en hydrochar y la cantidad de biomasa que se alimentó al proceso, y se seleccionó como variable de respuesta por su importancia en la viabilidad económica del proceso. El rendimiento fue calculado con la siguiente fórmula [8]: }í = mi X 100 (1) m2 Donde m 1 es la masa seca del nejayote y m2 es el peso del carbón obtenido del proceso. 2.5. Optimización del proceso: Se realizó la optimización del proceso mediante el método de superficie de respuesta utilizando la función con condición de deseable mediante el programa estadístico Design Expert 11. Se corrió un diseño de experimentos central compuesto con una réplica en los puntos factoriales y axiales y 6 réplicas en el punto central para saber si las variables de entrada (pH, tiempo de residencia y temperatura) afectan significativamente el rendimiento del carbón. 3. Resultados y discusión En la Figura 1 se muestran las fotografias de los carbones obtenidos en cada uno de los puntos del diseño (Tabla 1). Se puede observar que los carbones obtenidos a las condiciones estándar 7 y 12 (producidas a 200 y 230 ºC, respectivamente) presentan una coloración café, mientras que la muestra 1O (producida a 280 ºC) presenta un color negro intenso �• 111 • 1 t 1 - característico del carbón. La coloración café de las muestras es indicativa de que el proceso de carbonización no se completó, lo cual sugiere que la temperatura tiene un efecto importante en la producción del hydrochar. Rendimiento = 26.88 - 2.09 x Temperatura + 3.65 x pH 2.62 X Temperatura X pH + 0.65 X Temperatura 2 - 4.33 X pH 2 - 9.07 x Temperatura2 x pH (2) Rendimiento = 1082.86 - 9.50 x Temperatura - 246.13 x pH + 2.28 x Temperatura x pH + 0.02 x Temperatura 2 1.08 x pH 2 - 0.005 x Temperatura 2 x pH (3) Tabla 2. Análisis de varianza del rendimiento. Fuente de Suma de Grados de libertad variación cuadrados 6 713.48 Modelo A59.53 Temperatura B-pH 75.53 AB 54.80 A2 6.12 Bz 272.82 A2B 272.79 13 96.47 Residual 89.47 8 Falta de ajuste Error puro 7.00 5 19 809.95 Total Fo Valor p 16.02 <0.0001 8.02 0.0141 10.18 7.38 0.83 36.76 36.76 0.0071 0.0176 0.3802 <0.0001 <0.0001 7.98 Con el modelo presentado en la ecuac1on 2 se representó gráficamente la respuesta (Figuras 2 y 3) en función de los factores que la afectan significativamente, manteniendo constante el tiempo en 12 h, ya que este factor no afecta significativamente a la respuesta, pero si tiene un efecto en el consumo energético del horno utilizado. Los valores más altos de rendimiento están marcados en colores cálidos mientras que los valores bajos están representados por tonalidades frías. Rn>:fmilnnlo (%) Figura 1. Hydrochar obtenido a las condiciones establecidas en el diseño de experimentos. El número indica el orden de corrida estándar establecido en la Tabla l. La muestra 15 es representativa de las 6 réplicas del punto central. En la Tabla 2 se muestra el análisis de varianza para la respuesta estudiada (rendimiento). El valor de F0 para el modelo implica que este es significativo. Además, de acuerdo con dicho análisis, los factores que afectan significativamente a la respuesta son la temperatura y el pH tanto en su forma lineal como cuadrática, e interacciones de segundo y tercer grado. Figueroa Ribón [6], quien también estudió la carbonización hidrotermal del nejayote de maíz, también encontró que la temperatura y el pH afectan significativamente al rendimiento del proceso, mientras que el tiempo no. Una vez realizado el análisis de varianza, se obtuvo un modelo cúbico que fuera capaz de predecir la respuesta a diferentes condiciones de operación, con la finalidad de obtener el punto óptimo de producción de carbón hidrotermal de nejayote, el cual se encontraría en el máximo rendimiento del producto. El modelo obtenido se presenta en la ecuación 2 (codificado) y 3 (real), y las estadísticas de ajuste (R2 = 0.8809 y R2.di = 0.8259) indican que el modelo es adecuado para la optimización del proceso. ...._ I !1111 ZIQ \ \ 1 � ¡w ��Nt,l;Jfá1'C1 H!I .lf'l Figura 2. Gráfica de contorno del rendimiento de hydrochar. Tiempo de carbonización: 12 h. �Figura 3. Superficie de respuesta del rendimiento de hydrochar. Tiempo de carbonización: 12 h. /) J d Las regiones donde el rendimiento alcanza valores altos (mayores a 29 %) se observan en color rojo, y se encuentran en temperaturas bajas (menores a 210 ºC y pH menor a 5). Esto coincide con lo reportado por otros investigadores tales como Kambo y Dutta [12], ya que a temperaturas altas se favorece la formación de las fases líquida y gaseosas por la liberación de material volátil, reacciones de descarboxilación y deshidratación y la descomposición secundaria del sólido. Además, a pH bajo los iones hidronio actúan como catalizador en las reacciones de deshidratación y degradación de la hemicelulosa y celulosa presentes en el nejayote. Por otra parte, los valores más bajos de rendimiento (menores a 25 %) están representados en tonalidades verdes, y se encuentran en los extremos del espacio estudiado, esto es, cuando el pH es menor a 3, o cuando la temperatura se encuentra en los extremos estudiados, es decir, a 200 y 260 ºC a un pH superior a 4. Es importante mencionar que, si bien es cierto que para fines de viabilidad económica del proyecto se busca obtener un rendimiento alto, esto también podría significar que el proceso de carbonización de la biomasa no se ha completado, por lo que el producto obtenido con alto rendimiento no es realmente un hydrochar. Esto se puede observar en las muestras 1, 2 y 9 (Tabla 1 y Figura 1) que presentan altos valores de rendimiento, pero una coloración café indicativa de que la muestra no se a carbonizado completamente. Por el contrario, la muestra 11 tiene el rendimiento más bajo, pero tiene el color negro intenso característico del hydrochar. Además de la coloración, otros autores han reportado una relación entre el rendimiento del hydrochar y el área superficial, característica importante para la aplicación de este material en la remediación ambiental. Por ejemplo, Guachi Cabrera [15] reporta rendimientos cercanos al 60 % para la carbonización hidrotermal del bagazo de caña, con un área superficial del hydrochar obtenido de 16.45 m2/g. Por el contrario, Dominguez Mendoza [16] reporta un rendimiento del 32 % al carbonizar bagazo de agave, pero obtiene un hydrochar con área superficial de 306 m2/g, similar incluso a algunos carbones activados producidos a partir de biomasas. Si bien el presente trabajo tuvo como principal objetivo verificar la viabilidad de la producción de hydrochar a partir de nejayote, es recomendable tomar en cuenta como variable de respuesta no solamente el rendimiento, sino también alguna otra variable indicativa de la calidad del producto o incluso de la sustentabilidad de este, tal y como lo han hecho otros autores [6, 8, 17-19]. Finalmente, se realizó la optimización numérica de la respuesta utilizando el método de la superficie de respuesta con la función con condición de deseable. En los criterios de optimización se estableció que tanto la temperatura como el pH podían tomar cualquier valor dentro del rango estudiado, mientras que el tiempo debería minimizarse, ya que este factor no afecta significativamente a la respuesta, pero un valor bajo representa un menor gasto e impacto ambiental. La ponderación y la importancia de cada factor en el cálculo de las deseabilidades individuales fueron fijadas equitativamente [16]. También se estableció el criterio de que el rendimiento debería maximizarse dentro del rango estudiado, con la finalidad de estudiar la viabilidad económica del producto. La superficie de respuesta y la gráfica de contornos para la deseabilidad global se presentan en las figuras 4 y 5, respectivamente. Valores altos de deseabilidad (cercanos a uno) están representados con tonalidades cálidas, mientras que los valores bajos (cercanos a cero) se representaron con tonalidades frías. En ambas gráficas se puede observar que las condiciones experimentales que se acercan a la deseabilidad máxima (marcada en rojo) están a temperaturas bajas y pH entre 3 y 4. Caso contrario, los valores de deseabilidad más bajos (representados en verde) se encuentran a temperaturas superiores a 210 ºC y pH en nivel bajo cuando la temperatura está en el punto medio, o alto cuando la temperatura está en nivel alto. También podemos observar en la Figura 4 que no existe un punto máximo, sino más bien una región de operabilidad donde se puede obtener un rendimiento alto del hydrochar (30 %), y dicha región se encuentra a temperatura de 200 ºC, pH 3.3 y tiempo en el rango de 12 a 24 horas, con una deseabilidad de 0.919. Figura 4. Superficie de respuesta de la deseabilidad global. �'li m "'' Di: JJO :m ,...:.'t.mpe1tltu!n r·Cí Figura 5. Gráfica de contorno de la deseabilidad global. 4. Conclusiones Aprovechar los residuos del proceso de nixtamalización nos ofrece diversas ventajas, en este caso, utilizando el método de carbonización hidrotermal se logró obtener un sólido carbonoso con rendimientos similares a los reportados por otros autores para la producción de hydrochar a partir de residuos lignocelulósicos. La aplicación del proceso de carbonización hidrotermal nos permitió aprovechar el nejayote como precursor para la obtención de un producto con valor agregado como lo es el hydrochar y a su vez nos permitió hacer más eficiente el proceso por la capacidad de los reactores hidrotermales de trabajar biomasas con altos contenidos de humedad, lo cual permitió evitar el secado de la muestra lo que conlleva impactos ambientales y económicos imp ortantes. Aprovechar los residuos altamente contaminantes de procesos que son cotidianos ayuda a prevenir el daño ambiental y promueve los procesos sustentables. 5. Agradecimientos Yair Yosías Arriola Gil agradece al programa del XXIV verano de Investigación Científica y Tecnológica del Pacífico por las facilidades prestadas durante su estancia. 6. Referencias l. ¿Conoces el origen del maíz? https://www.gob.rnx/aserca/articulos/conoces-el-origen-del­ maiz?idiom=es (accesado el 11 de enero de 2022). 2. 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Energy. 2019, 186, 115795. �Aprovechamiento de residuos orgánicos para la síntesis de nanopartículas metálicas funcionales Carlos Enrique Escárcega-Gonzálezª,b*, Estefanía Caballero-Oyervides\ Javier Emanuel Castañeda-Andeª·\ Brenda Ureña-Castilloa,\ José Rubén Morones-Ramirezª•\ Enrique Díaz Barriga-Castroc. ª Universidad Autónoma de Nuevo León, UANL. Facultad de Ciencias Químicas. Av. Universidad sin. CD. Universitaria, 66455, San Nicolás de los Garza, NL, México. E-mail: carlos.escarcegagzz@uanl.edu.mx 6 Centro de Investigación en Biotecnología y Nanotecnología, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León, Parque de Investigación e Innovación Tecnológica, Km. 1 O autopista al Aeropuerto Internacional Mariano Escobed o, Apodaca, Nuevo León 66629, México. ' Centro de Investigación en Química Aplicada, CIQA. Blvd. Enrique Reyna Hermosillo No. 140, Saltillo, Coahuila 25294, México. * E-mail: carlos.escarcegagzz@uanl.edu.mx Recibido 17 diciembre 2021, Aceptado 28 enero 2022 Resumen El aumento de la población y sus actividades con el consiguiente desarrollo del ser humano, ha propiciado la generación y acumulación de mayores cantidades de residuos como los de tipo orgánico que pueden impactar de manera negativa al medio ambiente. Por ello, es importante fomentar estrategias más eficientes de gestión y disposición final para este tipo de residuos. Al respecto, debido a su naturaleza orgánica, estos residuos pueden contener diversos compuestos de interés que pueden ser aplicados en áreas como la nanotecnología, medicina, medio ambiente, alimentaria, farmacéutica, entre otras., por lo que su revalorización es una alternativa viable para su aprovechamiento. En este sentido, la síntesis verde de nanopartículas metálicas con propiedades interesantes tales como: antimicrobianas, antioxidantes, catalizadoras, anticancerígenas, etc, ha mostrado ser una metodología de obtención de dichos nanomateríales de una manera más amigable con el medio ambiente y con una mejor relación costo/beneficio. Para tal efecto, se requieren agentes reductores y estabilizadores por medio de seres vivos o sus partes, los cuales pueden ser obtenidos a partir de extractos de residuos orgánicos, ya que éstos poseen compuestos tales como fenólicos antioxidantes eficientes para reducir y estabilizar soluciones de sales metálicas con la consiguiente producción de sus respectivas nanopartículas. Por lo tanto, el aprovechamiento de residuos orgánicos para la síntesis verde de nanopartículas metálicas funcionales representa una alternativa viable y adecuada en la búsqueda de mejores estrategias de manejo, gestión y disposición final de estos residuos, así como mitigar los impactos al medio ambiente, obteniendo a la par nanomateríales con potenciales beneficios en diversas áreas relevantes para la sociedad. Palabras clave: Residuos orgánicos, polifenoles, nanopartículas metálicas. Abstract The increase of population and its activities with the consequent development of the human beings, has led to the generation and accumulation of greater amounts of residues, such as organic waste that can negatively impact the environment. For this reason, it is important to promote more efficient management and final disposal strategies for this type of waste. In this regard, due to i ts organic nature, these residues may contain various compounds of interest that can be applied in areas such as nanotechnology, medicine, environment, food, pharmaceutical, among others. Thus, its revaluation is a viable alternative for its use. In this sense, the green synthesis of metallic nanoparticles with interesting properties such as: antimicrobial, antioxidant, catalytic, anticancer, etc., has proven to be a methodology for obtaining said nanomaterials in a more environmentally friendly way and with a better cost-benefit relationship. For this purpose, reducing and stabilizing agents are required by means of living beings or their parts, which can be obtained from extracts of organic waste, since these have compounds such as phenolic antioxidants that are efficient to reduce and stabilize solutions of metal salts, with the consequent production of their respective nanoparticles. Therefore, the use of organic waste for green synthesis of functional metallic nanoparticles represents a viable and adequate alternative in search of better handling, management and final disposal strategies of these type of waste, also contributing to the mitigation of negative impacts on the environment,, and obtaining at the same time, nanomaterials with potential benefits in different relevant areas to society. Keywords: Organic residues, polyphenols, metallic nanoparticles. l. Los residuos orgánicos y su problemática ambiental /) J d El desperdicio de alimentos es un problema importante en la actualidad debido a que esto representa, a su vez, el desperdicio de otros recursos, siendo agua y energía los más significativos, durante las etapas de la cadena de surmmstro de alimentos. Según datos de la Naciones Unidas en su Objetivo de Desarrollo Sostenible número 12, Aproximadamente un tercio de los alimentos producidos para el consumo humano se desperdicia en todo el mundo, lo que equivale a alrededor de 1 ,300 millones de toneladas anuales [ 1 ] . �De acuerdo con el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, las frutas y verduras, además de las raíces y los tubérculos, tienen las tasas de desperdicio más altas de todos los alimentos [2]. En efecto, se ha reportado una pérdida entre 4050% de este grupo de alimentos, contribuyendo con el mayor nivel de desperdicios al respecto. [3, 4]. Solamente en América del Norte se desperdicia aproximadamente 265 millones de toneladas anuales de alimentos, donde México ocupa el segundo lugar en volumen de residuos orgánicos desperdiciados por país con una cifra de 38 millones de toneladas anuales [ 5]. Este problema ha generado un gran imp acto económico y al medio ambiental en el mundo, debido a que, al descomponerse, los residuos orgánicos provenientes de frutas y verduras emiten gases de efecto invernadero y producen líquidos lixiviados, generando así contaminación de aire, suelo, agua superficial y acuíferos, contribuyendo además de manera negativa y significativa con el cambio climático. Por si fuera poco, el pronóstico sugiere que para satisfacer la futura demanda se debe aumentar la producción de frutas y verduras sin considerar las pérdidas actuales. [6, 7]. 2. Aprovechamiento y revalorización de los residuos orgánicos En este contexto, se han tomado medidas para dar una segunda utilidad y revalorizar los desperdicios de frutas y verduras con la finalidad de disminuir el impacto ambiental involucrado con el manejo tradicional de este tipo de residuos. En México, se calcula que el 93% de los residuos orgánicos son destinados para su disposición final en rellenos sanitarios de tierra controlados o no controlados, así como tiraderos al aire libre que afectan al medio ambiente, siendo solo el 7% restante de los residuos orgánicos los que son aprovechados para otros usos. [5]. Al respecto, se ha intentado aprovechar los residuos orgánicos mediante diferentes actividades que produzcan beneficios económicos y que disminuyan los efectos negativos al medio ambiente. Sin embargo, para ello se tiene que llevar a cabo un manejo adecuado de residuos orgánicos, y así mismo, se tienen que enfrentar desafios relacionados. En el caso de México, si se logra mejorar los procesos de generación, gestión y disposición final de los residuos orgánicos, podría ser factible incrementar, fomentar u obtener beneficios tales como: a) Productos farmacéuticos, cosméticos, domésticos e industriales, así como alimentos y lechos para animales [5], b) Obtención de fuentes de energía eléctrica y térmica a partir de biocombustibles y biogás [8], c) Producción de composta y efluentes líquidos como fertilizantes en suelo que contribuyan a incrementar la calidad y/o cantidad de nutrientes, evitar la erosión y aumentar la retención de humedad [5, 8], y finalmente, d) Invertir en estrategias y alternativas innovadoras para el aprovechamiento y revalorización de residuos orgánicos con beneficios en distintas áreas. [5]. Este tipo de prácticas y actividades, fomentan e imp ulsan la revalorización de residuos orgánicos. En este sentido, cabe señalar que hoy en día, es imp ortante crear mayor conciencia Octubre - Diciembre 2021 ambiental e incorporar dichas estrategias de gestión de residuos orgánicos en nuestra sociedad. 3. ¿Qué se puede encontrar en los residuos orgánicos? La cantidad de residuos orgánicos, principalmente frutas y verduras, como se ha mencionado en apartados anteriores es significativo. Los residuos orgánicos pueden provenir de fuentes domésticas cuando se ingieren las partes comestibles y se desecha la cascara y/o porciones de piel restantes; así mismo, pueden provenir de fuentes industriales en forma de orujo (pulpa, piel, semillas y tallo) después de la producción de alimentos y bebidas. En este aspecto, los residuos orgánicos pueden provenir desde de cualquier nivel de la cadena de suministro y producción de alimentos. Además, por parte del sector agrícola, una gran cantidad de residuos orgánicos pueden ser generados, entre los que se puede mencionar del tipo herbáceos (hojas y floretes), leñosos (ramas) y productos agrícolas dañados [9, 10]. En relación con lo anterior, en residuos de frutas y verduras se pueden encontrar diferentes compuestos bioactivos, de los cuales predominan los comp onentes fenólicos (fenoles, ácidos fenólicos y flavonoides), los cuales son compuestos con distintas propiedades interesantes tales como antioxidantes, antimicrobianos, anticancerigenos, entre otras. Por ello, este tipo de compuestos presentes en alimentos de origen vegetal, presentan muchos beneficios a la salud, por lo que es imp ortante que formen parte de la dieta humana [ 1O]. Por otro lado, los compuestos fenólicos presentes en residuos orgánicos de frutas y verduras pueden ser aprovechados mediante extractos obtenidos a partir de dichos residuos, para la obtención de nanopartículas metálicas (síntesis verde sustentable), mediante la reducción de sus sales metálicas aprovechando la capacidad antioxidante o reductora que poseen. Para comp lementar lo anterior, a continuación, en la Tabla 1, se muestran algunos de los compuestos bioactivos presentes en diferentes tipos de residuos de frutas y verduras más conocidas. 4. Nanotecnología y nanopartículas metálicas La nanotecnología es la ciencia que se encarga de manipular la materia a escala nanométrica (1 x 10-9), específicamente átomos, compuestos y moléculas, con la finalidad de revolucionar y desarrollar diversos dispositivos y productos con aplicaciones en diferentes camp os tales como la medicina, farmacéutica, ingeniería, optoelectrónica, informática, entre otras. En relación con el presente trabajo, este tipo de tecnología han despertado el interés de incorporar procesos bioquímicos y biológicos para dar lugar a campos relacionados más avanzados como en el caso de la nanobiotecnología aplicada en el área de agricultura sustentable, así como las ya mencionadas anteriormente. [ 11, 12] Con lo anterior, conviene señalar la definición de nanopartícula como una partícula a escala nanométrica que solo puede ser visible mediante un microscopio electrónico. Una nanopartícula tiene una dimensión entre 1 y 100 nm, y por su naturaleza o composición, puede ser de varios tipos tales como: a) metálicas, b) a base de carbon, c) poliméricas, d) dendrimeros, t), nanocristales (puntos cuánticos), g) liposomas, entre otras [13]. �Tabla l. Compuestos bioactivos en residuos de frutas y vegetales. Alimento Residuo Com uesto Bioactivo Carbohidratos Pulpa cáscara Manzana y Flavonoides Antocianinas Cáscara Cítricos Pulpa Antioxidante, antimicrobiano, antiinflamatorio, antitumoral, cardioprotector Trite enoides Antimicrobiano, antiinflamatorio Carbohidratos Fibra dietética, disminución de la presión arterial, control de glucosa en sangre, prebiótico, anticancerí eno, inmunomodulador Carotenoides Inmunomoduladores antioxidantes Flavonoides Antibacteriano, antifúngico, anticancerígeno Isoflavonoides Pulpa Uva Ácidos fenólicos Referencia Bioactividad Fibra dietética, prebiótico Polifenoles [9, 14] [9, 14, 1 5] antiinflamatorio, de reductor Antioxidante, inmunomodulador, anticanceroso lípidos, [ 1 5] Ácidos fenólicos Flavonoides Semilla Mango Catequinas Xantanoides Efecto antioxidante antitumoral, antibacteriano, antiviral, inmunomodulador [9] Carotenoides Cáscara Carotenoides Ácidos fenólicos Plátano Flavonoles Cáscara Catequinas Catecolaminas Antioxidante, antibacteriana, antifúngica, control de glucosa y colesterol, antiangiogénica, neuroprotector. Tomate Pulpa cáscara c_ o_en _o_____ y 1-L_i_ _ Antiproliferativo, antioxidantes, anticancerígeno, antiinflamatorias Flavonoles Coco Pulpa cáscara y Pulpa Fitoesteroles Antiinflamatorio, antioxidante, antitumoral, antimicrobiano, cardioprotector, anticonvulsivo Antocianinas Prevención de arterosclerosis y cáncer Trglicéridos Ácidos fenólicos Ramas Bayas Flavonoles Antocianinas Semillas Pulpa cáscara Papa y Cáscara Antioxidante, re eneración de la iel Carbohidrato Fibra dietética, hipocolesterolémica. Ácidos fenólicos Antioxidante, antimicrobiano, antiinflamatorio Glicoalcaloide Anticancerígeno Tocoferol Carbohidrato Ácidos fenólicos Brócoli Coliflor y Tallos, hojas y floretes Flavonoides Glucosinolatos Isotiocianato antifúngico, analgésico, Propiedades antioxidantes, antiinflamatorias y anticancerígenas Lí idos Carotenoides Raíz Zanahoria /) J d Antioxidante, prevención de enfermedad ocular Antioxidante, prevención de enfermedad ocular [9] [ 1 4, 1 5] [ 1 5] [9, 14] [9] [9, 1 5] Fibra dietética, hipocolesterolémica. Antioxidante, antimicrobiano, antihipertensivo, anticancerígeno Quimiopreventivo [9, 1 5 ] �Ahora bien, el presente trabajo se enfoca en abordar información importante sobre las nanopartículas del tipo metálicas. Estos nanomateriales pueden estar formados principalmente por metales nobles u óxidos de metales, los cuales pueden presentar diversas propiedades debido a su relación área/volumen que favorece una mayor reactividad. En adición a lo anterior, durante la síntesis biológica de este tipo de nanopartículas, el tipo de metal u óxido que puedo formar dichos nanomateriales depende del tipo de sal metálica utilizada, así como del agente reductor y estabilizante (proveniente de seres vivos como plantas o microorganismos), que pueda reducir los iones metálicos para la formación de su respectiva nanopartícula [11, 16]. 5. Síntesis verde de nanopartículas metálicas En los últimos años, las nanopartículas metálicas han adquirido gran importancia debido a sus propiedades y potenciales aplicaciones, lo cual ha despertado el interés de los investigadores por buscar nuevas metodologías de síntesis. Al respecto, se pueden obtener nanopartículas metálicas aplicando procesos biológicos, mediante el uso de seres vivos o sus partes como microorganismos y/o sus medios de cultivo, algas, levaduras, hongos, así como plantas y sus extractos. En este sentido, es importante mencionar que en la lucha por reducir y revalorizar residuos orgánicos principalmente de origen vegetal (hojas, tallo, flores, semillas, raíces, cáscaras de frutas y vegetales), estos pueden ser aprovechados para obtener agentes reductores y estabilizantes para la síntesis de nanopartículas en este caso metálicas. Por lo tanto, este método es la ruta favorable cuando se requiere de reducir el volumen de residuos orgánicos generados debido a que las frutas y verduras desechadas pueden usarse como extracto para la síntesis de nanopartículas [16]. Al proceso biológico mencionado mediante el cual se elaboran nanopartículas se denomina síntesis verde [11, 1 7]. La síntesis verde de nanopartículas metálicas conlleva algunas ventajas importantes en comparación con los métodos de síntesis por métodos convencionales (químicos y físicos), tales una mejor relación costo/beneficio, procesos no tóxicos, no contaminantes y amigables con el medio ambiente [16]. Ahora bien. ¿Cómo se puede usar los residuos orgánicos para sintetizar nanopartículas metálicas? En el apartado "¿ Qué se puede encontrar en los residuos orgánicos?" se mencionó sobre algunos componentes bioactivos presentes en frutas y verduras como los polifenoles. Estos compuestos actúan como agentes reductores y estabilizadores durante la síntesis de nanopartículas metálicas reduciendo los iones metálicos a su forma neutra (metálica), y dirigiendo el crecimiento de la partícula en una dirección o desempeñando funciones de protección para evitar la aglomeración de las nanopartículas [18]. En la figura 1, se muestra un esquema sobre el proceso de síntesis verde de nanopartículas, en el cual se aprovechan extractos de residuos para obtención. orgánicos su NOTA los residuos de frutas y verduras pueden provemr d j! dif�rl!!nt� �ntM: • Origen Doméstico • Origen Comercial • O rigen lnduitrial • Origen Agricola r..""' IONES Ag " Fez,. Au ' P b " cu · Au • 2 3 ''"= ,. Cu 2 • 3 Fe • Extracto Orgán ico Residuos Orgánicos Extracto de Residuos Orgá nicos >--- Mezcla pa ra la Síntesis de Nanopartículas Metálicas Na nopartículas Metálicas Sintetizadas Figura l. Representación esquemática de la síntesis verde de nanopartículas metálicas a partir de residuos orgánicos (frutas y verduras). Adaptado de [ 19] 6. AJii caciones de nanopartículas metálicas Como se ha mencionado anteriormente, las nanopartículas metálicas resultan atractivas e interesantes para investigadores de todo el mundo, debido a su amplio campo de aplicación y a las diversas propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas, ópticas, químicas y físicas que pueden presentar. Por lo tanto, surge la siguiente pregunta sobre en donde pueden usarse estos nanomateriales [20]. Continuando con lo anterior, las nanopartículas metálicas ofrecen múltiples aplicaciones entre las cuales se encuentran: a) recubrimientos médicos, b) textiles clínicos, c) catalizadores, d) aditivos, e) fabricación de dispositivos electrónicos y ópticos, f) Octubre - Diciembre 2021 biosensores, g) agentes antiincrustantes h) agentes antimicrobianos, i) agentes anticancerígenos y antidiabéticos, h) agentes antioxidantes, entre otros. [20, 21]. En relación con lo anterior, se ha mostrado un fuerte interés por la capacidad antimicrobiana, antifúngica, antioxidante y citotóxica que presentan algunas nanopartículas metálicas (p. ej. Ag, Cu, Au, Fe 3 O4, ZnO), las cuales pueden ser sintetizadas a partir de distintos residuos de frutas y verduras [21-25]. A continuación, en la Tabla 2, se muestra estudios sobre la síntesis de nanopartículas metálicas a partir de extractos de diferentes residuos orgánicos y sus aplicaciones. �Tabla 2. Ejemplos de nanopartículas metálicas sintetizadas a partir de residuos orgánicos. Alimento Residuo NP Aplicaciones Naranja Cáscara Ag ZnO Fe10, Granada Cáscara Ag Cu Actividad antibacteriana, antifúngica, citotoxicidad contra células de cáncer de mama y de colon [ 1 1 , 18] Fe10, Pd Actividad antibacteriana, antifúngica, citotoxicidad contra células de cáncer de mama, catalizador, sensores, eliminación de metales tóxicos en aguas residuales [ 1 1 , 18, 21, 25] Ag Actividad antibacteriana, antifúngica, citotoxicidad contra células de cáncer de mama [ 1 1 , 18] Ag ZnO ZnO Ag Au ZnO Actividad aotibacteriana, antifúngica, fotocatalítico contra azul de metileno [ 1 1] Fotocatalítico contra azul de metileno [ 1 1] Fotocatalítico contra azul de metileno, semiconductores, espectroscopia, imágenes de teiidos, terapia contra el cáncer. [ 1 1 , 18, 19] Plátano Cáscara Manzana Cáscara Limón Cáscara Tomate Cáscara Ag [ 1 1 , 17, 18, 19, 25] Pomelo Cáscara y pulpa Patata Cáscara Ag ZnO Actividad antibacteriana, antidiabético, citotoxicidad contra las células cancerosas HepG2, fotocatalítica contra azul de metileno y colorantes azoicos. [ 1 1] Sandía Cáscara Ag Au Aplicación en el campo biomédico, farmacéutico, cosmético, alimentario y como catalizador [ 18, 19] Uva Entera, piel, talle, semillas y hojas Piña Cáscara y pulpa Zanahoria Raíz Alfalfa Planta Papaya Cáscara, pulpa y hoja Pd Ag Au Fe Ag ZnO Ag Au FeO Fe203 Fe304 Ag Fe201 Actividad antibacteriana, aplicaciones médicas, imágenes moleculares y terapia contra el cáncer, colorante azoico Actividad antioxidante, antibacteriana, tratamiento de enfermedades graves como la diabetes y el cáncer [ 18, 19, 25] [ 18, 19] Aplicaciones médicas [ 19] Fundamental en múltiples aplicaciones de la nanotecnología [25] Actividad antibacteriana, antioxidante, eficaces contra las enzimas hepáticas, cicatrización de heridas, fotocatalítica contra amarillo remazol RR [ 1 1 , 19, 26] 7. Conclusiones La síntesis verde de nanopartículas metálicas a partir de frutas y verduras es una alternativa viable para revalorizar los residuos orgánicos que se generan en gran cantidad diariamente en México y en el mundo, teniendo así una estrategia adecuada para mitigar y enfrentar los impactos negativos ambientales (producción de gases de efecto invernadero, líquidos lixiviados, contarnínación de suelos y aguas) que son favorecidos por una excesiva producción, acumulación y mala disposición de residuos orgánicos. /) J d Referencias Actividad aotibacteriana, antifúngica, citotoxicidad contra células de cáncer de mama, fotocatalítica contra azul de metileno, eliminación de metales tóxicos en a!!llas residuales Dentro de los diversos componentes presentes en residuos orgánicos provenientes de frutas y verduras, se encuentran los compuestos fenólicos antioxidantes, principales responsables de la síntesis (reducción y estabilización) de nanopartículas metálicas con distintas propiedades útiles en áreas como la medicina, medio ambiente, materiales, etcétera, y de las cuales se ha reportado la síntesis de nanopartículas principalmente de Au, Cu, Fe, ZnO, Fe3 O4 , Ag, siendo estas últimas de las más producidas a partir de residuos orgánicos, aprovechando sus propiedades antibacterianas, antifúngicas, antioxidantes y citotoxicidad contra diferentes tipos de cáncer, lo cual puede representar beneficios al sector médico y farmacéutico. Por lo tanto, es importante profundizar y continuar con líneas de investigación relacionadas con la temática descrita en el presente trabajo de revisión, ya que representa alternativas adecuadas para abordar la problemática sobre la generación y manejo de residuos orgánicos, que su vez contribuye en la obtención de nanomateriales con interesantes aplicaciones en áreas importantes de estudio, y considerando además que su producción por síntesis verde mediante residuos orgánicos, es una metodología no contaminante, factible y de bajo costo al revalorizar dichos residuos. �8. Agradecimientos Los autores agradecen a la Universidad Autónoma de Nuevo León por el apoyo de programa Paicyt 2020 y 2021, a la Facultad de Ciencias Químicas y a CONACYT por el apoyo a JEC-A y B­ UC con beca del programa Becas Nacionales de Posgrado. 9. Referencias l. N.U. 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Heliyon 2020, 6 (8), e04603. https://doi.org/10. 1016/j.heliyon.2020.e04603. �Elementos Críticos en Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos, y su afectación a la salud y al medio ambiente. Un breve análisis. Adriana K. Leura V.*, Juan M. Alfaro B. Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas, Subdirecciñon de Licenciado en Química Industrial. Ciudad Universitaria, Pedro de Alba sin San Nicolás de los Garza, Nuevo León C.P. 66451 . *aleurav@uanl.edu.mx Recibido 17 diciembre 2021, Aceptado 24 enero 2022 Resumen Los denominados elementos o minerales críticos, son constituyentes fundamentales de los Aparatos Eléctricos y Electrónicos, los cuales en los últimos años han presentado un incremento en la demanda, principalmente aquellos empleados en las telecomunicaciones y servicios de tecnología digital, y que gracias a sus cortos tiempos de vida útil, se convierten rápidamente en residuos de manejo especial. Sin embargo, debido a una falta de cultura social y políticas estrictas para su manejo, son depositados en rellenos sanitarios a cielo abierto, donde actividades de pepena y las condiciones del sitio, pueden favorecer la liberación de los elementos críticos al ambiente. En este breve análisis se indican cuáles son las principales afectaciones asociadas a los elementos críticos presentes en los residuos de aparatos eléctricos y electrónicos a fin de evidenciar el impacto a la salud huma y ambiental, en aras de generar una mayor conciencia en el manejo de este tipo de residuos. Abstract The critica! elements or minerals are fundamental constituents of Electrical and Electronic Equipment, which in recent years have shown an increase in dernand, mainly those used in telecommunications and digital technology services, and due to their short times shelf life, it will quickly set up into special handling waste. However, due to a lack of social culture and strict policies for their management, they are deposited in open-air sanitary landfills, where pepena activities and site conditions can favor the release of critica! elements into the environment. This brief analysis indicates which are the main conditions associated with the critica! elements present in waste electrical and electronic equipment in order to demonstrate the impact on human and environmental health, in order to generate greater awarene ss in the management of this type of waste. Palabras clave: elementos críticos, aparatos eléctricos, residuos de aparatos eléctricos Key words: critica! mineral, electrical equipment, e-waste l. ') L ) Cl INTRODUCCió N Se denomina elemento o mineral crítico a aquel que, en caso de presentar escasez en su suministro, el impacto en la economía resulta mayor que el de cualquier otro elemento o mineral [ 1 ,2,3] . La disponibilidad de algunos minerales se mide considerando algunas cuestiones que pueden ser: 1 ) aspectos geológicos en cuanto a si existe o no el recurso natural; 2) técnicos, si es posible extraerlos o no; 3) ambientales, si es posible producirlo de un modo ambiental o socialmente aceptable; 4) políticos, el cómo influyen los gobiernos en la disponibilidad de un recurso por medio de sus políticas y acciones; y 5) económicos; si es posible producir a un coste que el consumidor acepte [ l ] . Estados Unidos de América, l a Unión Europea, Reino Unido, Japón, Corea del Sur, Canadá, Australia, la República Popular de China y Vietrnan debido a su potencial de producción/adquisición han identificado una serie de elementos y/o minerales críticos que oscilan entre 1 9 y 32, como son: Antimonio, Barita, Berilio, Bismuto, Borato, Cobalto, Carbón de coque, Caucho natural, Fluorita, Fosforita, Galio, Germanio, Grafito, Hafnio, Helio, Indio, Magnesio, Niobio, Escandio, Silicio metálico, Tantalio, Wolframio, Vanadio , Metales del grupo del Platino, Tierras Raras Pesadas, Tierras Raras Ligeras, Bauxita, Litio, Titanio, Estroncio, Arsénico, Cesio, Cromo, Manganeso, Potasa, Renio, Rubidio, Telurio, Estaño, Uranio y Zirconio [2,3 ,4,5,6] . Dentro de las aplicaciones de los elementos y minerales críticos se pueden mencionar la industria Aeroespacial, Defesa, Energía, Transporte, Infraestructura, Medicina, Metalurgia, Química, y Telecomunicaciones electrónicos, entre otras [2] . En el caso particular de los Aparatos Eléctricos y Electrónicos (AEE), estos se encuentran íntimamente relacionados con el desarrollo de la sociedad y de la economía, y en los últimos años se ha observado un crecimiento progresivo como un efecto directo de la urbanización, la industrialización y el poder adquisitivo de la población. Los AEE se agrupan en seis categorías generales dependiendo de su función, componentes y dimensiones tal como se describe en la Tabla 1 [7] . �' v Electromcos. Tabla 1 Categonas genera es de A,paratos El ectncos Catee:oría Descri11ción Refrigeradores, congeladores, aparatos de aire acondicionado y bombas de calor. 1 . Aparatos de intercambio de temperatura 2. Pantallas y monitores 3 . Lámparas 4. Grandes aparatos 5. Pequeños aparatos 6. Aparatos de Infonnática y de telecomunicaciones pequeños. Televisores, monitores, ordenadores portátiles, incluidos los miniportátiles, y tabletas. Lámparas fluorescentes, lámparas de descarga de alta intensidad y lámparas LED. Lavadoras, secadoras, lavavajillas, cocinas eléctricas, impresoras grandes, fotocopiadoras y paneles fotovoltaicos. Aspiradoras, hornos de microondas, equipos de ventilación, tostadoras, hervidores eléctricos, afeitadoras eléctricas, básculas, calculadoras, aparatos de radio, videocámaras, juguetes eléctricos y electrónicos, pequeñas herramientas eléctricas y electrónicas, pequeños dispositivos médicos y los pequeños instrumentos de supervisión y control. Teléfonos móviles, dispositivos del sistema mundial de detenninación de la posición (GPS), calculadoras de bolsillo, encaminadores, computadoras personales, impresoras y teléfonos. traduce en afectaciones a la salud de la población y del ambiente. Una de las mayores problemáticas asociadas a los ABE es su corto tiempo de vida útil de 2 a 5 años para teléfonos celulares y portátiles; 5 a 7 años para televisores,por mencionar algunos, lo que contribuye al aumento cotidiano de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE, E-Waste por sus siglas en inglés). En 20 1 9 se produjeron 53.6 millones de toneladas métricas (Mt) [7,8] , siendo México el tercer productor de este tipo de residuos en América, solamente precedido por Estados Unidos y Brasil [9] . De acuerdo con el Foro de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (WEEE Forum, por sus siglas en inglés), como resultado en el incremento de las actividades de Home Office y entretenimiento en los hogares, en respuesta la pandemia por COVID- 1 9, las necesidades por AEE, especialmente de aquellos enlistados en las categorías de pantallas y monitores, y aparatos de informática y de telecomunicaciones pequeños, se detenninó una producción aproximada de 57.4 Mt [ 1 0] . A pesar de que los RAEE son considerados residuos de manejo especial de acuerdo a lo enmarcado en la Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos [ 1 1 , 1 2] , la realidad es que la disposición final de los mismos en la mayoría de las ocasiones se realiza en vertederos municipales a cielo abierto, lo que se 2. EFECTOS A LA SALUD HUMANA Y AMBIENTAL Una de las principales actividades informales que se realizan en los rellenos sanitarios a cielo abierto es la pepena, es decir, la recuperación de residuos sólidos ya sea para su reciclaje o la obtención de materiales de interés económico, por lo que hombres, mujeres y niños que se dedican a esta actividad se ven seriamente expuestos a los elementos que conforman los RAEE, los cuales pueden llegar a ser potencialmente tóxicos. Aunado a ello, procesos como la lixiviación o el arrastre hídrico o eólico pueden favorecer la dispersión de los elementos entre los diferentes compartimentos ambientales. Entre los elementos críticos que se emplean en la producción de ABE y que por ende forman parte de los RAEE, se destacan el indio, estaño, tierras raras, itrio, elementos del grupo del platino, tantalio, arsénico, cesio, rubidio, galio, cobalto y litio [ 1 3 ] . A continuación se describen en las Tablas 2 y 3, las afectaciones a la salud humana y ambiental que han sido resportadas en la literatura para cada uno de los elementos críticos presentes en este tipo de residuos. Tabla 2. Afectación a la salud humana y ambiental de elementos críticos presentes en Aparatos Eléctricos y electrónicos de las categorías dos y seis de la clasificación general de ABE. Elemento crítico Indio Estaño Afectación Salud Humana Afectación Salud Ambiental Ref. Daños en el corazón, riñones e hígado y pueden ser teratógenos. La ingestión de grandes cantidades de Los efectos ambientales de esta sustancia aún no han sido reportados. El estaño inorgánico se adhiere al suelo y a sedimentos en el agua, y algunos se disuelven en agua. Una vez en la atmósfera, el estaño se adhiere a partículas de polvo que pueden ser movilizadas por el viento o removidas del aire por la lluvia. Los compuestos orgánicos de estaño se adhieren al sedimento en el suelo y a partículas en el agua. Los compuestos orgánicos de estaño pueden acumularse en [ 1 4] compuestos inorgánicos puede producir dolores de estómago, anemia, y alteraciones del hígado y los riñones. Compuestos orgánicos pueden interferir con el funcionamiento del sistema nervioso y el cerebro. En casos graves, puede causar la muerte. El contacto de la piel o los ojos con compuestos inorgánicos u orgánicos de estaño Octu bre - Diciembre 202 1 [ 1 5] �puede producir irritación de la piel y los ojos. peces, en otros animales y en plantas. Tabla 2. Cont. Afectación a la salud humana y ambiental de elementos críticos presentes en Aparatos Eléctricos y electrónicos de las categorías dos y seis de la clasificación general de AEE. Elemento crítico Tantalio Arsénico Cesio Galio Cobalto ') L ) Cl Afectación Salud Humana Afectación Salud Ambiental La toxicidad sistémica del óxido de tántalo y del tántalo metálico es baja, probablemente por su escasa solubilidad. Sin embargo, constituye un riesgo para la piel, los ojos y el aparato respiratorio. Puede producir náusea y vómitos, disminución del número de glóbulos rojos y blancos, ritmo cardíaco anormal, fragilidad capilar y una sensación de hormigueo en las manos y los pies. La inhalación de niveles altos de arsénico inorgánico puede producir dolor de garganta e irritación de los pulmones e inclusive puede ser fatal. El contacto de la piel con arsénico inorgánico puede producir enrojecimiento e hinchazón. Animales de laboratorio expuestos a muy altas concentraciones exhibieron aumento o disminución en actividad. No se hna reportado efectos en el ambiente por tantalio. Existe la posibilidad de exposiciones por inhalación de polvo durante la producción de óxidos y sales en polvo y durante la producción y proceso de monocristales de los compuestos semiconductores. Las salpicaduras y derrames de soluciones del metal y sus sales pueden actuar sobre la piel y las mucosas. La exposición a niveles altos de cobalto puede producir efectos en los pulmones y el corazón. También puede producir dermatitis. Litio Inhalación: Sensación de quemadura, tos, respiración trabajosa, falta de aire, dolor de garganta. Piel: Enrojecimiento, quemaduras cutáneas, dolor, ampollas. Ingestión: Calambres abdominales, dolor abdominal, sensación de quemadura, náuseas, shock o colapso, vómitos, debilidad. Rubidio El rubidio reacciona rápidamente con la humedad de la piel para formar hidróxido de rubidio, que provoca quemaduras térmicas en los ojos y piel. Muchos compuestos comunes de arsénico pueden disolverse en agua. Los peces y manscos pueden acumular arsénico; la mayor parte de este arsénico está en una forma orgánica llamada arsenobetaína En el aire, el cesio puede movilizarse largas distancias antes de depositarse en el suelo o en el agua. La mayoría de los compuestos de ces10 se disuelven en agua. El cesio se adhiere firmemente a la mayoría de los suelos y no se profundiza bajo la superficie del suelo. No se han reportado afectaciones al ambiente por galio. El cobalto en el aire se asociará con partículas que se depositarán en el suelo en unos pocos días. El cobalto liberado al agua o al suelo se adherirá a partículas. Algunos compuestos de cobalto se pueden disolver en el airua. El litio metálico reacciona con el nitrógeno, el oxígeno, y el vapor de agua en el aire. El hidróxido de litio representa un peligro potencialmente porque significativo es extremadamente corrosivo. Se debe prestar especial atención a los organismos acuáticos. No se han documentado efectos ambientales del rubidio. �Tabla 3. Afectación a la salud humana* de los elementos críticos del grupo del platino presentes en Aparatos Eléctricos y electrónicos de las categorías dos y seis de la clasificaciñon general de AEE. Elemento Afectación Salud Humana Ref. crítico Platino Se cree que los efectos tóxicos y potencialmente tóxicos del platino están relacionados con [23] determinadas sales hidrosolubles como el hexacloroplatinato potásico, el tetracloroplatinato potásico, el cloroplatinato sódico y el cloroplatinato amónico. La exposición por inhalación de estas sales provoca manifestaciones alérgicas respiratorias, estornudos, lagrimeo y tos. Posteriormente, aparecen síntomas asmáticos con tos, congestión torácica, jadeos y fatiga Se sabe muy poco sobre la toxicidad del iridio y sus compuestos. Dado que se utiliza en cantidades reducidas, no ha habido muchas oportunidades de observar efectos adversos en el hombre. Todos los radioisótopos son potencialmente dañinos y deben aplicarse las medidas de seguridad adecuadas para la manipulación de material radiactivo. Los compuestos solubles de iridio, como el tribromuro y el tetrabromuro de irido y el tricloruro de iridio producen los efectos tóxicos tanto del iridio como del halógeno, pero no existen datos sobre la toxicidad crónica. El tricloruro de iridio se ha descrito como un irritante leve para la piel y produce irritación ocular. El osmio metálico es inocuo, pero las personas que trabajan en su producción están expuestas a la Osmio acción de los vapores de ácidos y de cloro. Los vapores de tetróxido de osmio son tóxicos y sumamente irritantes para los ojos: producen lagrimeo y conjuntivitis incluso en bajas concentraciones. También son irritantes para las vías respiratorias altas y provocan bronquitis, espasmos bronquiales y dificultad respiratoria, que puede durar varias horas. Una exposición más prolongada puede producir lesiones corneales, ceguera, trastornos digestivos y procesos inflamatorios pulmonares y renales. En contacto con la piel, produce una coloración verde o negra de la piel, v dermatitis v ulceraciones. Paladio El cloruro de paladio produce dermatitis y sensibilización cutánea de tipo alérgico en trabajadores expuestos diariamente. Además, debe considerarse como irritante ocular. El tetraóxido de rutenio es volátil e irritante para el tracto respiratorio. Rutenio *No se han reportado efectos en el ambiente asociados a los elementos del grupo del platino. Iridio Actualmente, la mayoría de los estudios reportados en la literatura respecto al impacto ambiental aciado a RAEE, se enfocan a los elementos normados y definidos como potencialmente tóxicos (cadmio, mercurio, plomo, cromo exavalente ), es por ello, que en las tablas 2 y 3 se refiere la falta de información respecto a los denominados elementos críticos. Lo anterior denota la necesidad de realizar estudios enfocados a evaluar la presencia de los diversos elementos críticos que se encuentran presentes en los Aparatos Eléctricos y Electrónicos en diversas matrices ambientales y determinar su repercusión en el ambiente, de tal manera que se contribuya a la generación de políticas estrictas relacionadas con el manejo y disposición de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos, así como el desarrollo de programas de capacitación y concientización dirigidos a los diversos sectores de la población, de tal manera que en conjunto, contribuyan a disminuir el impacto asociado a estos elementos. 3. REFERENCIAS l. 2. Regueiro; Barros. SEM. 2014, 1 9 , 9p. U.S. Survey. Geological https://pubs.usgs.gov/oll20 1 8/1 02 l /ofr201 8 1 O 20.pdf (accesado el 1 5 de diciembre de 202 1 ) 3. 4. 5. 6. 7. 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Pp. 1 87-192. �Producción sustentable de biodiesel empleando grasas residuales de la industria láctea Nahum Andrés Medellín Castillo ª*, Bladir Salomón Rangel-Navaª, Alejandro Rocha Uribe\ Miguel Mauricio Aguilera Flores", Verónica Ávila Vázquez c ªCentro de Investigación y Estudios de Posgrado, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava 8, Zona Universitaria, C.P. 78290, San Luis Potosí, S.L.P., México. bFacultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava 6, Zona Universitaria C.P. 78210, San Luis Potosí, S.L.P., México. 'Ingeniería Ambiental, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Zacatecas, Instituto Politécnico Nacional, B lvd. del Bote 202 Cerro del Gato Ejido La Escondida, Ciudad Administrativa C.P. 98160, Zacatecas, Zac., México. •nahum.medellin@uaslp.mx Recibido 17 diciembre 2021, Aceptado 24 enero 2022 Resumen En este trabajo se evaluó la recuperación de grasas de una empresa pasteurizadora de leche para su uso en la producción de biodiesel con la finalidad de aprovechar los residuos lácteos y reducir los problemas relacionados con la generación de biosólidos en la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de dicha empresa. La producción de biodiesel se realizó por transesterificación en fase homogénea y heterogénea utilizando como materia prima los residuos grasos. Para los dos procesos, se evaluó el rendimiento de producción de biodiesel y la calidad del biodiesel de acuerdo a la norma europea EN 14214. La reacción en fase homogénea se realizó empleando metano! y grasa residual en una proporción molar de 6:1 (metanol:grasa), NaOH como catalizador al 0.8 % p/p con respecto a la masa de la grasa, temp eratura de 60 ºC y un tiempo de reacción de 60 minutos. Para la reacción en fase heterogénea, se utilizó un hidróxido doble laminar (HDL) como catalizador heterogéneo al 3.5 % p/p, una relación metanol-grasa de 21:1, temperatura de 60 ºC y tiempo de 60 min. Los rendimientos de la reacción fueron del 97.5 y 98.5 % p/p, con base en el peso de la grasa empleada, para la reacción homogénea y heterogénea, respectivamente. Además, se encontró que el biodiesel sintetizado en las dos reacciones cumple con los parámetros de calidad de la norma EN14214. Finalmente, la tecnología desarrollada en este estudio constituye una alternativa de producción de una fuente de energía con beneficios sustentables. Abstract In this work, the recovery of fats from a milk pasteurizing comp any was evaluated for their use in the production of biodiesel in order to take advantage of the dairy waste and reduce the problems related to the generation of biosolids in the wastewater treatment plant (WWTP) of that comp any. Biodiesel production was carried out by homogeneous and heterogeneous phase transesterification using fatty wastes as raw material. For both processes, biodiesel production yield and biodiesel quality were evaluated according to the European standard EN 14214. The homogeneous phase reaction was carried out using methanol and residual fat in a molar ratio of 6:1 (methanol:fat), NaOH as catalyst at 0.8 % w/w with respect to the fat mass, temperature of 60 ºC and a reaction time of 60 min. For the heterogeneous phase reaction, double hydroxide laminar (HDL) was used as heterogeneous catalyst at 3.5 % w/w, a methanol:fat ratio of 21:1, temperature of 60 ºC and time of 60 min. The reaction yields were 97.5 and 98.5 % w/w, based on the weight of fat used, for the homogeneous and heterogeneous reaction, respectively. In addition, it was found that the biodiesel synthesized in the two reactions complies with the quality parameters of standard EN14214. Finally, the technology developed in this study constitutes an altemative for the production of an energy source with sustainable benefits. Palabras clave:Residuos Lácteos; Biodiesel; Transesterificación; l. Introducción En México, la industria de lácteos es la tercera actividad más importante del ramo alimenticio teniendo un consumo anual per cápita de 98 kg de leche y sus derivados [1]. Esta industria se caracteriza por tener fuertes descargas de agua residual con altos valores de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y Demanda Química de Oxígeno (DQO), en donde la lactosa y la grasa pueden considerarse como los constituyentes principales de estos parámetros [2,3]. Además, sus efluentes son muy ricos en nitrógeno y fósforo [2,4]. En la industria de procesamiento de lácteos, gran parte de la generación de agua residual es atribuible al lavado de equipos, pipas, tanques de leche y tuberías que transportan la leche y los productos lácteos [2,3]. Relaciones de volumen de agua residual generada y masa de producto lácteo que se procesa se han emp leado para comp arar la generación de agua residual de la industria láctea [2-4]. El intervalo de valores de estos parámetros es muy variado y están determinados, en su mayoría, por las diferentes estrategias de gestión que se toman en cada planta [4]. El valor medio de estas relaciones es de 1.26 m3 de agua residual/tonelada de producto procesado. Sin embargo, los valores oscilan desde 0.31 a 2.29 m3/tonelada de producto [3,4]. A partir de información obtenida de la planta procesadora de lácteos de este estudio, se estimó que la empresa trata un promedio mensual de 2,215 m 3 de agua residual y genera aproximadamente entre 7.0 y 8.2 toneladas de lodos al mes que contienen un alto contenido de grasa. El término biocombustibles se usa para referirse a combustibles líquidos o gaseosos para su uso en el sector de transporte y que en su mayoría son producidos de la biomasa �[5,6]. Entre estos biocombustibles se encuentran el biometanol, bioetanol, biogás, biohidrógeno, aceite puro vegetal y el biodiesel el cual forma parte del objeto de interés de este estudio [7]. El biodiesel está definido por la "EuropeanParliament" en su directiva 2003/30/Ec como: "Metil-estéres con la calidad del diesel producidos de aceites vegetales o animales usados como biocombustibles" [8]. Otros autores han definido al biodiesel como "Aceite vegetal transesterificado usado como combustible diesel" [9], o bien se ha definido como "Mezclas de monoalquilésteres de ácidos grasos obtenidos a partir de lípidos renovables, como aceites y grasas de origen vegetal o animal" [5,6]. El biodiesel se puede obtener a partir de tres principales procesos, los cuales se describen a continuación [7-13]: 1) Pirolisis. En este proceso se lleva a cabo una descomposición térmica de los triglicéridos en ausencia de oxígeno y generalmente se desarrolla a una temperatura cercana a los 400 ºC en presencia de un catalizador sólido. Sin embargo, algunos de los inconvenientes de este proceso radican en que las características del combustible obtenido resultan inadecuadas. Principalmente la viscosidad que se obtiene es alta y las propiedades de flujo en frío son insatisfactorias. 2) Micro-emulsificación. Este proceso consiste en formar una dispersión de dos líquidos inmiscibles pero el uso de esta técnica genera una combustión incompleta, formando también depósitos de carbón alrededor de los inyectores de los motores. 3) Transesterificación. En este proceso se produce biodiesel mediante una reacción química reversible de tres etapas en la que los triglicéridos y el alcohol en presencia de un catalizador se convierten en ésteres y glicerol. Para esta reacción se usa principalmente el metano! por ser un reactivo de bajo costo y por los productos derivados de esta reacción los cuales son fáciles de separar. Además, es posible utilizar catalizadores homogéneos como el hidróxido de potasio, pero debido a la dificultad para "lavar" el biodiesel y al mayor consumo y contaminación de agua durante estos lavados actualmente se prefieren reacciones con catálisis heterogénea ya que no requieren de una etapa de lavado. /) J d Actualmente y a escala comercial, el biodiesel se produce a partir de aceites vegetales comestibles de gran calidad, metano! y un catalizador alcalino [12]. Por esta razón, el precio del biodiesel es muy poco competitivo contra el precio del diésel fósil ya que en algunos casos el precio del aceite sobrepasa el del diésel aún sin procesar [10,14]. Además, la utilización de aceites comestibles como materia prima agudiza el debate de alimento contra combustible [5,7,10]. Es por estos motivos que se han desarrollado un sin número de estudios con el objetivo de evaluar la viabilidad técnica y económica de utilizar residuos de la industria como materias primas [7,12,13]. Algunas de las principales fuentes de materias primas son aquellas grasas animales y aceites comestibles usados [5-7]. Se han propuesto como materia primas residuos de la industria de alimentos como: manteca de cerdo [7], el cebo de res, aceite de pescado [15], grasa de aves, y residuos de mayonesa [11,14,16]. Por otra parte, la catálisis homogénea que emplea hidróxido de sodio o potasio y alcóxido es la forma más empleada a nivel industrial debido la rapidez con la que se produce el biodiesel. Sin embargo, presenta algunas desventajas asociadas a la sensibilidad de la pureza de los reactivos, presencia de ácidos grasos libres en la materia prima a emplear, así como los procesos de purificación del biodiesel. Estos hallazgos representan una ventaja para la catálisis de biodiesel vía heterogénea, ya que los catalizadores pueden ser recuperados y reutilizados, sin considerar que la purificación del biodiesel es mínima, reduciendo costos. El área de oportunidad de la catálisis heterogénea se centra en aumentar el rendimiento de la reacción con la búsqueda de materiales que favorezcan la producción de biodiesel. El hidróxido doble laminar (HDL) es una arcilla aniónica que ha sido evaluada como catalizador en la reacción de transesterificación. La hidrotalcita (Mg6Al 2(OH) 16CO3 •4H2O) es un HDL comúnmente utilizado y ha sido sintetizada con diferentes relaciones molares de cationes (Mg/Al) para evaluar el efecto de la basicidad del material y su actividad catalítica en la reacción, obteniendo rendimientos de reacción reportados entre 74.8-97 %. Lo que demuestra ser una alternativa viable para su uso en dicha reacción [17]. Por lo anterior, el objetivo de este estudio consistió en evaluar la recuperación de grasas de una empresa pasteurizadora de leche para su uso en la síntesis homogénea y heterogénea de biodiesel. El aprovechamiento de la grasa permitirá reducir los problemas relacionados con la generación de grandes cantidades de biosólidos en la planta de tratamiento de aguas residuales de la empresa seleccionada para este estudio. Además, de que se aprovechará un residuo como materia prima en la producción de un biocombustible. 2. Parte experimental En la Figura 1 se muestra el esquema general de la metodología empleada para la presente investigación y se describe a continuación. Bfodiesel vía c.atálisis homogénea (N aOH) y heterogénea (HDLJ cata lizador 3RCOOH + 3CH3 0H <-------> 3H2 0 + 3RCOOCH3 ,! - - - -Caracterización - - - - - - fisiooquímica ---------, D ! _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ � Índice de yodo Viscosidad Pureza (" FAMEI cinemática pH Perfil de ácidos grasos Índice de aodez % de Ác:idos Grasos Libres Densidad Análisis de grilsa y ac.eites por mR Figura 1. Esquema descriptivo de la metodología empleada. Muestreo Las muestras de grasa residual fueron obtenidas de una empresa pasteurizadora de leche ubicada en la capital de San Luis Potosí, México que por cuestiones de confidencialidad no se menciona en el estudio. Estas muestras fueron colectadas del registro de agua a la salida de la planta que conduce el agua residual a la PTAR. Las muestras fueron colectadas en recipientes de vidrio color ámbar con la finalidad de preservar las muestras evitando la generación de ácidos grasos libres por efecto de la oxidación de Octubre - Diciembre 2021 �los ácidos grasos y fueron identificadas como Registro, Trampa 2, Trampa 3, T1 y T2. Para conocer el porcentaje de grasa de las muestras y seleccionar la muestra con mayor potencial para la producción de biodiesel se cuantificó el contenido de grasa butírica mediante el método de prueba establecido en la Norma Oficial Mexicana NOM-! 55SCFI-2012, "Leche Denominaciones, especificaciones fisicoquímicas, información comercial y métodos de prueba" [18]. Para las muestras líquidas en las que se esperaba obtener un % de grasa muy bajo (0.04-0.16 %) se llevó a cabo un método alternativo de cuantificación por medio de un analizador automatizado de leche "Ekomilk- Milkana- KAM98- 2A". Preparación de las muestras Las muestras seleccionadas, TI y T2, fueron tratadas para recuperar la grasa contenida en ellas de acuerdo a la siguiente metodología: Primeramente, se calentaron las muestras en una parrilla de calentamiento hasta alcanzar los 60 ºC durante un tiempo de aproximadamente 45 minutos. Los macro-sólidos se separaron empleando un colador y posteriormente se centrifugaron a 2,000 rpm durante 15 minutos en una centrifuga Sigma, modelo 3-18K (el tiempo y la velocidad de centrifugado se determinaron en pruebas previas) y a 40 ºC. Así, se logró una separación de fases bien definidas y fue posible recuperar las grasas por simple decantación. Como resultado de este pretratamiento, se obtuvo una grasa de color amarillo de aspecto homogéneo la cual se calentó en una parrilla eléctrica a 100 ºC durante 15 min para retirar la posible humedad presente. Posteriormente, esta grasa fue caracterizada con base en las pruebas descritas más adelante y sirvió de materia prima para los experimentos de transesterificación homogénea y heterogénea de biodiesel. Materiales y equipos La reacción de transesterificación homogénea del biodiesel se llevó a cabo utilizando las grasas obtenidas por centrifugación, metanol al 99.97 % (grado analítico, marca CTR Scientific) y como catalizador hidróxido de sodio (NaOH, 98.5%, grado analítico, Fermont). En la etapa de ajuste de pH y en la purificación del biodiesel se utilizó ácido clorhídrico (HCI) 36.5 a 38 % (grado analítico, CTR Scientific). En la reacción heterogénea se utilizó como catalizador un HDL, el cual se sintetizó por un método de co-precipitación empleando magnesio y aluminio en una relación molar x= 0.59 a 450 ºC y 2 h empleando Na2CO3 como agente precipitante. Los detalles de la síntesis del catalizador se encuentran en [17]. Síntesis homogénea de biodiesel Las condiciones para esta síntesis se establecieron con base en estudios previos realizados por los autores y reportados en [7]. La síntesis se realizó empleando metano! y las muestras de grasa en una relación molar de 6: 1 metanol:grasa con un 0.8 % (p/p) de NaOH como catalizador, a 60 ºC durante 60 min en agitación constante. La síntesis se realizó de acuerdo a lo siguiente: En un baño térmico con recirculación de agua, se colocó un matraz de 500 mL de tres bocas. En la boca central se colocó un condensador para recuperar el metano! que se evapora constantemente, en otra un tapón de corcho con un termómetro para así monitorear la temperatura de la reacción y en la boca restante un tapón para mantener el reactor sellado. Debajo del reactor y del baño, se colocó una parrilla de agitación para mantener una fase homogénea mediante agitación constante y vigorosa. Al inicio, se calentó la grasa a una temperatura cercana a la de reacción (60 ºC) y se mantuvo en constante agitación. Después se pesaron 100 g de grasa y se añadieron al reactor. En otro recipiente se calentaron ligeramente 31.2 mL de metanol (30 ºC) con 0.8 g de NaOH y se agitó la solución hasta disolver el catalizador por completo, cuidando que el metano! no evaporara. Cuando la grasa en estado líquido alcanzó la temperatura de reacción, se agregó la solución de metano! y catalizador manteniendo la mezcla en agitación constante, en este momento se dio por iniciada la reacción. Después de transcurrido el tiempo de reacción, la mezcla contenida en el matraz se colocó en un embudo de separación y se dejó en reposo por una hora para garantizar la separación de fases. La fase inferior y obscura correspondió a la glicerina formada en la reacción y la superior es una mezcla de metil­ ésteres o biodiesel. Una vez separadas las fases, se registró la masa de cada una para calcular el rendimiento de la reacción y ambas fases se llevaron al rotavapor con en el cual se recuperó el exceso de metanol presente en cada fase. El rotavapor se mantuvo en funcionamiento a una temperatura de 60 ºC y presión reducida durante aproximadamente 30 min hasta no observar más recuperación de metanol. El biodiesel purificado se lavó con la finalidad de remover el hidróxido de sodio presente y conseguir un biodiesel neutro. El primer lavado fue con una solución ácida de 0.2 % (p/p) de ácido clorhídrico en una cantidad correspondiente al 50 % del volumen del biodiesel y se dejó reposar por 5 min. en un embudo de separación para retirar el agua. En seguida, se realizaron lavados con agua destilada hasta conseguir que el pH del agua con la que se realizó el lavado fuera igual al pH del agua destilada sin usar. Después de los lavados, el biodiesel se llevó nuevamente al rotavapor a una temperatura de 90 ºC durante 90 min a presión reducida para retirar el agua que pudo quedar presente y la cual puede afectar la calidad del biodiesel producido. Después de ello, el biodiesel fue almacenado en un frasco de vidrio ámbar para su posterior caracterización. Síntesis heterogénea de biodiesel empleando un hidróxido doble laminar (HDL) La síntesis se realizó utilizando metanol y las grasas residuales como reactivos en una relación 23:1 metanol:grasa y con un 3.5% (p/p) de HDL como catalizador. Las condiciones de reacción se establecieron tomando como referencia algunos estudios preliminares empleando HDL como catalizador. La reacción de transesterificación se realizó con base en la siguiente metodología: Se adicionaron al matraz de tres bocas 34.6 mL de metanol y 1.015 g de catalizador. Esta mezcla se mantuvo en agitación constante hasta alcanzar la temperatura de 65 ºC. Mientras tanto en otro recipiente, se calentó la grasa a una temperatura cercana a la temperatura de reacción (65 ºC) y se mantuvo en constante agitación, después se pesaron 29 g de grasa y se añadieron al reactor, en este instante dio comienzo la reacción. La mezcla estuvo en agitación constante durante el tiempo de la reacción, el cual se estableció en 1 h. Al transcurrir el tiempo de reacción, la mezcla se filtró a vacío para recuperar el catalizador y volverlo a utilizar. Después de su filtrado, la mezcla se colocó en un embudo de separación y se dejó en reposo únicamente para observar la separación de fases. Enseguida ambas fases se llevaron al rotavapor para recuperar el exceso de metano! presente en cada fase. El rotavapor se mantuvo en funcionamiento a una temperatura de 60 ºC y presión reducida durante aproximadamente 30 min hasta no observar más recuperación de metanol. Posterior a ello, el biodiesel se almacenó en un frasco de vidrio ámbar para su posterior caracterización. Caracterización de la materia prima y productos (biodiesel) �Con la finalidad de conocer los parámetros de calidad del biodiesel producido y compararlos con los establecidos por la norma europea EN 14214 para la calidad estándar de biodiesel, se realizaron las siguientes pruebas al biodiesel producido y a la grasa residual empleada como materia prima. Índice de acidez Este índice representa la cantidad de miligramos de KOH necesarios para neutralizar los ácidos libres de 1 g de muestra. La determinación de este índice se realizó con base en el método AOCS -Cd3d-63 el cual consistió en pesar 5 g de muestra en un matraz Erlenmeyer de 250 mL, se le añadieron 25 mL de alcohol neutralizado, se adicionaron 1O gotas de fenolftaleína y se tituló con una solución 0.1 N de NaOH. Índice de Yodo Este parámetro indica el grado de insaturación, entre mayor sea el índice mayor será la insaturación, por lo tanto, la grasa o biodiesel será más líquida y fácil de oxidar. El análisis se realizó siguiendo el método AOCS-Cdld-92. Pureza (% de FAME 's) La pureza del biodiesel se mide en términos de contenido de metil-ésteres (FAME's) y es un parámetro clave para asegurar la calidad del biodiesel de acuerdo a la norma EN14214 la cual establece un valor mínimo de 96.5 % en peso. Para determinar este contenido, se realizó a través del método de prueba AOCS CEl-62. Los componentes individuales fueron identificados por comparación con los tiempos de retención de los FAME ' s de una mezcla patrón. Las muestras de biodiesel se inyectaron de manera directa a un cromatógrafo. Para reportar los resultados, se tomó como referencia la norma española UNE-EN 14103. De esta forma se sumaron los % en peso de cada uno de los metil­ ésteres desde C 14 (ácido mirístico) hasta el C2 1 (ácido araquidicio) siendo el total de esta suma el valor de % peso de FAME's. % de ácidos grasos libres- A GL 's (AOCS Ca-5a40) Se define como la cantidad en miligramos de NaOH que se requieren para neutralizar los AGL's en un gramo de muestra y se puede expresar como acidez libre porque están relacionados directamente. Ambos parámetros son indicadores del grado de rancidez de los materiales y se usan como indicador general de la condición de los aceites [* ERA LA 6]. Densidad a 15 y 45 ºC La densidad puede servir como indicador de que la reacción se completó. Además, influye en la eficiencia de los inyectores de combustible en los motores. Las variaciones en la densidad del combustible resultan en diversificaciones en la potencia del motor, consecuentemente en las emisiones y el consumo [7]. La determinación se realizó con base en las mediciones de masa y volumen de cada muestra por duplicado a las temperaturas establecidas. "Brookfield modelo DV-III" y a partir de estos valores se obtuvo un valor promedio el cual se dividió entre la densidad a la misma temperatura y así se determinó el valor de viscosidad cinemática (y) el cual se puedo comparar con las normativas. pH La medición de pH se realizó empleando un electrodo de pH colocado a un potenciómetro marca Thermo Scientific modelo Orion Star A211. Perfil de ácidos grasos (AOCS-tentative method CEl-62) La identificación y la cuantificación de los metil-ésteres de ácidos grasos (FAME's) de las muestras fue realizada por cromatografia de gases siguiendo el método de prueba AOCS CEl-62. Los componentes individuales de los ácidos grasos fueron identificados por comparación con los tiempos de retención de los FAME's de una mezcla patrón. Para la muestra correspondiente a la materia prima fue necesario aplicar un proceso de metilación descrito por el mismo método AOCS CEl62. En el caso de las muestras de biodiesel se inyectaron de manera directa al cromatógrafo. Análisis de biodiesel y grasa por espectroscopia al infrarrojo (FTIR) Las muestras de biodiesel y grasa residual fueron caracterizadas por espectroscopia al infrarrojo (FTIR) usando la técnica de reflectancia total atenuada (ATR) empleando un espectrómetro Thermo Scientific Nicolet iS1O. 3. Resultados y discusión Caracterización de las muestras residuales de grasa Los valores de porcentaje de grasa (% p/p) para cada una de las muestras colectadas se muestran en la Tabla l. A partir de esta información, se seleccionaron las muestras Tl y T2 como los más indicados para la producción de biodiesel por su alto contenido de grasa. Los valores de porcentaje de grasa se muestran en la Tabla 1. Tabla l . Porcentaje de grasa en las muestras colectadas. Muestra Fase Grasa (% p/p) Método de análi si s Registro Líquido 0.16 Ecomilk Trampa 2 Líquido 0.04 Ecomilk Trampa 3 Líquido 0.08 Ecomilk TI Sólido >70 NOM-155SCFI-2012 T2 Sólido 61 NOM-155SCFI-2013 Viscosidad cinemática ') L ) Cl La viscosidad permite evaluar la resistencia al flujo de los materiales líquidos y ha sido correlacionada con el contenido de metil-ésteres. En los combustibles resulta importante conocer la viscosidad ya que controla el desempeño de los inyectores. Valores altos de viscosidad tiene impactos negativos en el desempeño de la inyección de combustible. Además, es importante una baja viscosidad para el transporte del combustible a través de las tuberías. La viscosidad dinámica (r¡) se midió en un rango de temperatura de 39.5-40.5 ºC utilizando un reómetro Recuperación de grasa �Por su abundancia dentro de las trampas de grasa de la PTAR estudiada y considerando los análisis que se muestran en la Tabla 1, se decidió utilizar como materia prima del biodiesel, los residuos sólidos provenientes de las trampas Tl y T2. Estos residuos son semisólidos de color grisáceo o blanquecino, contienen un porcentaje de grasa entre el 60 y 70% y presentan una apariencia, color y olor adecuados. Por otro lado, en la Tabla 2 se muestran los % de recuperación de grasa de las muestras T1 y T2 obtenidos por el sistema combinado de calentamiento a T= 60 ºC por 45 min y centrifugación a 2000 rpm y t= 15 min. Los datos revelaron que los valores de recuperación para ambas muestras fueron muy similares. El % de muestra no recuperado corresponde a agua contenida en las muestras y otros sólidos e imp urezas. Tabla 2. Porcentaj e de recuperación de grasa con respecto a la masa inicial de los residuos. T1 661 160 % de recup eraci ón Total 24.2 T2 2118 532 25.1 Muestra Masa i ni ci al (g) Masa fi nal (g) Rendimiento de las síntesis homogénea y heterogénea de biodiesel El rendimiento de las síntesis homogénea y heterogénea se estimó a partir de la ecuación (1): = masa del biodiesel pro �ucido X 1 O O % de rendimiento masa de la grasa residual (l ) Los resultados obtenidos para ambas síntesis se presentan en la Tabla 3, los cuales muestran que se obtuvieron rendimientos satisfactorios y considerablemente altos en comparación con los valores reportados para este tipo de síntesis empleando aceite vegetal y grasa animal [7]. Para el caso de la síntesis, empleando HDL, se obtuvieron rendimientos similares a la síntesis homogénea y reportados por [17]. En el caso del biodiesel sintetizado por vía heterogénea no fue necesario darle algún tratamiento de lavado o acondicionamiento. Tabla 3. % de rendimiento obtenidos para la síntesis de biodiesel homogénea y heterogénea Valor Síntesi s homogénea Síntesi s heterogénea Grasa residual, g 100 29.0 Glicerina, g 13.6 3.0 Metanol, g 3.7 5.2 Biodiesel, g 97.5 23.9 % de rendimiento 97.5 98.5 Caracterización de la materia prima y biodiesel Los resultados obtenidos para los diferentes parámetros de calidad establecidos en la norma europea EN 14214 se resumen en la Tabla 4. Se puede observar que para el biodiesel producido por síntesis homogénea todos los parámetros de calidad del biodiesel cumplen con la norma EN2014. En el caso del biodiesel producido empleando HDL como catalizador, la calidad del biodiesel con respecto al contenido de FAME's es muy cercana al minimo establecido por la normativa. Por ello se puede considerar que el biodiesel por ambas síntesis tiene una calidad adecuada para su uso. También, se analizó la grasa obtenida que se empleó como materia prima en la producción de biodiesel en las dos síntesis y se observa como los valores de los parámetros analizados cambian con respecto de las muestras de biodiesel. Por ejemplo, la pureza de FAME' S en la grasa, de ser un valor no deterrnínado (ND) por estar por debajo del límite de detección, se incrementa hasta 96.5 o 97% en el biodiesel, y en el caso de la viscosidad a 40 ºC, su valor disminuye considerablemente hasta 6.0 veces al comparar la de la grasa residual y el biodiesel. Lo anterior, confirma la producción de biodiesel, así como una calidad adecuada para su uso. Tabla 4. Parámetros de calidad del biodiesel y grasa de acuerdo a la noma EN 142 14. Parámetro Indice de acidez Índice de Yodo Pureza (FAME's) ¾ AGL Densidad I S ºC Densidad 40ºC Viscosidad 40ºC pH Grasa Biodiesel Biodiesel Homog. Heterog. Unidades Norma mg KOH/g máx O.SO 1.23 0.336 0.112 g lz/100 g máx 120 60.4 59.2 56.6 ¾ p/p min. 96.5 ND 96.5 97.0 NA 0.62 0.169 0.056 860-900 878.4 877.6 879.1 925.8 848.8 880.3 3.5-5.00 20.80 3.487 4.175 7.0 7.0 ¾ ac. Oleico kg/m3 NA mm2/s NA NA Perfil de ácidos grasos Los resultados obtenidos del perfil de ácidos grasos para las tres muestras (grasa, biodiesel homogéneo y biodiesel heterogéneo) indican que el proceso de transesterificación no modifica el perfil de ácidos grasos, ya que los perfiles de ácidos grasos de la materia prima y de las muestras de biodiesel son muy similares entre sí (Tabla 5). . 1 de ac1 Tabla 5 . P erfil ' dos grasos en muestras d e b"10 d"1ese v grasa. Ácido graso, % p/p Grasa Caproico Caprilico Caorico Laurico Miristico Pentadecanoico Palmitico Palmitoleico Oleico-linoleidato Estearico Pleico Linoleico n.i. Araquidico 0.84 0.56 1.33 1.65 6.19 0.61 29.1 0.97 10.9 39.4 8.03 0.49 Análisis de las muestras por FTIR Biodiesel Homog. Biodiesel Heterog. 0.53 1.31 1.66 6.05 1.30 28.4 1.27 50.6 Nd Nd 7.96 0.41 0.59 0.63 1.52 1.86 6.85 1.02 27.9 1.65 49.4 Nd Nd 8.18 0.46 0.57 �De acuerdo con el estudio realizado por [ 1 9] , en los espectros de biodiesel se detectaron dos picos de transmitancia, el correspondiente a la flexión asimétrica del enlace O-CH3 que se encuentra en 1436 cm- 1 y el de los esteres metílicos en 1 1 96 cm- 1 correspondiente a la distención del enlace CHrO-C; y en la grasa residual existen dos picos correspondiente al enlace OC-H2 de los mono, di y triglicéridos que se encuentran en 1 377 cm- 1 y el segundo en 1 097 cm- 1 que corresponde a la distención del enlace CHrO-C. Estos resultados confirman la producción del biodiesel y la reacción de transesterificación de la grasa residual. r1l,CM" r r1 1 11W. 1 1 11 I l'l { -ll 11. Singh, S. P.; Singh, D. Renewable Sustainable Energy Rev. 2010, 14, 200-216. 12. Aransiola, E. F.; Ojumu, T. V.; Oyekola, O. O.; Madzimbamuto, T. F.; lkhu-Omoregbe, D. I. O. Biomass Bioenergy 2013, 61, 276-297. 13. Basha, S. A.; Gopal, K. R.; Jebraj, S. Renewable Sustainable Energy Rev. 2009, 13, 1628-1634. 14. Atadashi, I. M.; Aroua, M. K.; Abdul Aziz, A. R.; Sulaiman, N. M. N. Renewable Sustainable Energy Rev. 2012, 16, 3275-3285. 15. Costa, J. F.; Almeida, M. F.; Alvim-Ferraz, M. C. M.; Dias, J. M. Energy Convers. Manage. 2013, 74, 17-23. 16. Rizwanul Fattah, I. M.; Masjuki, H. H.; Kalam, M. A.; Hazrat, M. A.; Masum, B. M.; hntenan, S.; Ashraful, A. M. Renewable Sustainable Energy Rev. 2014, 30, 356-370. 17. Reyna-Villanueva, L. R. M.; Dias, J.; Medellín-Castillo, N. A.; Ocampo-Pérez, R.; Martinez-Rosales, J. M.; Peñaflor-Galindo, T.; Alvarez Fuentes, G. Fue! 2019, 251, 285-292. 18. Secretaría de Comercio y Fomento Industrial. NORMA Oficial Mexicana NOM-155-SCFI-2012, Leche-Denominaciones, especificaciones fisicoquimicas, información comercial y métodos de prueba. http://www.dof.gob.mx/normasOficiales/4692/seeco/seeco.htm (accesado el 04 de enero de 2022). 19. Lourenco B.I.S. Tesis Avaliacao de proceso produtivo e controlo da qualidade do biodiesel atrevés de espectroscopia de infravermelho con transformada de Fourier (FT-IR) Universidade de Porto, Portugal, 2014. 000 Figura 1 . Espectros al infrarrojo del biodiesel y grasa residual. 4. Conclusiones Los resultados permitieron concluir que es posible llevar a cabo la síntesis de biodiesel utilizando como materia prima la grasa residual de una planta procesadora de lácteos. Los % de rendimiento obtenidos mediante la utilización de este residuo bajo dos reacciones diferentes fueron de 97.5 y 98.5 % para la reacción homogénea y heterogénea, respectivamente. El biodiesel obtenido por ambas vías cumple con los principales parámetros de calidad establecidos por la norma EN 1 42 1 4. 5. Referencias /) ) oI ,y� l. Secretaría de Economía. Análisis del sector lácteo en México. Marzo 2012. https://www.economia.gob.mx/files/comunidad_negocios/industria_ comercio/informacionSectorial/analisis_sector_lacteo.pdf (accesado el 04 de enero de 2022). 2. Demirel, B.; Yenigun, O.; Onay, T. T. Process Biochem. 2005, 40, 2583-2595. 3. Carvalho, F.; Prazeres, A. R.; Rivas, J. Sci. Total Environ. 2013, 445-446, 385-396. 4. Danalewich, J. R.; Papagiannis, T. G.; Belyea, R. L.; Tumbleson, M. E.; Raskin, L. Water Res. 1998, 32, 3555-3568. 5. Atabani, A. E.; Silitonga, A. S.; Badruddin, I. A.; Mahlia, T. M. I.; Masjuki, H. H.; Mekhilef, S. Renewable Sustainable Energy Rev. 2012, 16, 2070-2093. 6. Mishra, V. K.; Goswami, R. Biofuels 2017, 9, 273-289. 7. Dias, J. M. M. Biodiesel production from Wastes: Process Development and Quality Control, Tesis de grado, Universidad de Porto, Porto, 2010. 8. MacLeod, C. S.; Harvey, A. P.; Lee, A. F.; Wilson, K. Chem. Eng. J. 2008, 135, 63-70. 9. Demirbas, A. Biodiesel: a realistic fael alternative for diese/ engines; Springer: London, 2008; pp. 208. 10. Canakci, M.; Sanli, H. J. Ind. Microbio!. Biotechnol. 2008, 35, 431441. 5� ) Octubre - Diciembre 2021 �Producción de carbón activado a partir de la cáscara de frijol de soya para su aplicación como adsorbente en el tratamiento de aguas resii:luales contaminadas con metales pesados Eduardo Soto-Regaladoª' *, Nancy E. Dávi la-Guzmánª y Cynthi a Vi ri di an'aepúlveda Cervantes ªUniversidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Ingeniería Química, Pedro de Alba sin, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, México . *eduardo. sotorg@uanl. edu. mx. Recibido 17 diciembre 2021, Aceptado 27 enero 2022 Abstract. Agricultura! products for human and animal consumption are widely produced, such as beans, com, soybean, and wheat, among others. As a result of these activities, large amounts of agro wastes are generated, which are a source of environmental pollution. On the other hand, the pollution of water by organic and inorganic substances due to anthropogenic activities represents a global concem. There are technologies for wastewater treatment, for instance, precipitation, filtration, ionic exchange, adsorption, etc. Adsorption process is a tertiary treatment of water and wastewater useful to remove heavy metals and organic substances from aqueous solutions. Agro wastes are suitable as precursors to prepare activated carbon by chemical or physical activation that can be used as adsorbent material. Chemical activation is performed by heating agro wastes in an inert atmosphere; typically, a nitrogen atmosphere is applied at temperature of 300 to 650ºC. Chemical substances such as ZnCl2, MgCl3 , HNO3 , H2 SO4 , KOH, NaOH, K2CO3 , H2O2, and KMnO4 are activating agents that develop physicochemical properties of activated carbon by chemical activation, such as surface area and pore size, which can be optimized by experimental design and surface response methodology. These adsorbent materials are widely used to remove heavy metals from aqueous solutions because these pollutants affect both human health and ecosystems. Although the above-mentioned adsorbents are useful for wastewater treatment, their production processes are carried out at high temperatures, which irnplies a moderate or high-energy consumption and environmental impact that can be determined by the Life Cycle Assessment methodology. Resumen A nivel global se producen productos agrícolas para consumo humano o animal, por ejemplo: frijol, maíz, frijol de soya, trigo, entre otros. Como resultado de estas actividades grandes cantidades de residuos agro industriales son generados y representan una fuente de contaminación ambiental. Por otro lado, la contaminación del agua por sustancias químicas o inorgánicas debido a actividades antropogénicas representa una amenaza global. Existen tecnologías para el tratamiento de agua residual, por ejemplo precipitación, filtración, intercambio iónico, adsorción, etc. El proceso de adsorción es un tratamiento terciario de aguas o aguas residuales útil para remover metales pesados y sustancias orgánicas de soluciones acuosas. Los residuos agroindustriales son útiles como precursor para preparar carbón activado mediante activación química o fisica en atmósfera inerte, típicamente atmósfera de nitrógeno a temperaturas de 300 a 650ºC. Sustancias químicas tales como: ZnCl2, MgCl3 , HNO3 , H2 SO4 , KOH, NaOH, K2CO3 , H2O2, and KMnO4 , son agentes activantes que desarrollan las propiedades fisicoquímicas del carbón activado, por ejemplo, su área superficial y tamaño de poro, las cuales pueden ser optimizadas mediante diseño experimental y análisis de superficie de respuesta. Estos materiales adsorbentes son ampliamente usados para remover metales pesados de soluciones acuosas ya que estos contaminantes afectan a salud humana y los ecosistemas. No obstantes que los adsorbentes antes mencionados son útiles para el tratamiento de aguas residuales, su proceso de producción es realizado a altas temperaturas, lo cual implica un consumo energético de moderado a alto que provoca impacto ambiental que puede ser determinado mediante la metodología de evaluación de ciclo de vida. Palabras clave: Carbón activado, activación química, residuos agroindustriales, metales pesados, análisis de ciclo de vida. l. Introducci ón México cuenta con una importante economía agraria inmersa en una gran variedad de procesos agroindustriales, dichos procesos pueden ser extremadamente ventajosos para los intereses sociales relativos a alimentación de las personas. Por otro lado el incremento en la población mundial ha provocado un creciente deterioro ambiental que afecta la salud humana y los ecosistemas. Según datos de la Organización Mundial de la Salud, en 2025, cerca de 2000 millones de personas vivirán en países o en regiones donde la escasez de agua será debajo de los 500 metros cúbicos per cápita anuales recomendados por médicos, cantidad de agua que necesita una persona para llevar una vida sana e higiénica [ 1 ]. La contaminación del agua puede darse por metales pesados o por sustancias orgánicas tales como: fenol, tricloroetileno, o colorantes tales como: azul de metileno, verde de malaquita, entre otros, estos contaminantes provocan efectos adversos en los cuerpos de agua [2, 3]. Tecnologías como adsorción, precipitación, filtración de membrana e intercambio iónico se han utilizado para eliminar los contaminantes inorgánicos del agua, como son los metales pesados. Sin embargo, la adsorción ha demostrado ser una tecnología económica y eficiente para la remoción de metales pesados, así como los contaminantes orgánicos y colorantes de las aguas contaminadas. Varios adsorbentes tales como carbón activado, sílice, y grafeno se pueden utilizar en la purificación de agua [4]. El carbón activado (CA) es un material que se utiliza principalmente como un adsorbente que puede presentar propiedades singulares, tales como alta área superficial, grupos funcionales ácidos y básicos en la superficie que puede ser �Producción de carbón activado a partir de la cáscara de frijol de soya para su aplicación como adsorbente en el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados microporosa, mesoporosa y/o macroporosa, según la distribución del tamaño de poros [5]. En la literatura, se reportan varios carbones activados (CAs) con gran área superficial y porosidad desarrollada a partir de residuos agroindustriales, incluidos los residuos de café, semillas de frutas, cáscara de arroz [5] y cáscara de cebada [6]. La producción de carbón activado a partir de residuos agroindustriales, implica el calentamiento del residuo bajo atmósfera inerte y mediante el uso de sustancias inorgánicas; mediante estos procesos es posible producir un material adsorbente con alta área superficial y una adecuada distribución de tamaño de poros; éstas propiedades pueden ser optimizadas mediante un diseño experimental con las variables independientes del proceso de producción [6]. La producción de estos materiales requiere un consumo energético importante, lo cual implica un impacto ambiental que puede determinarse mediante la metodología del análisis de ciclo de vida [7]. La cascarilla de soya puede aprovecharse como precursor para producir carbón activado útil para remover metales pesados de aguas residuales, es importante mencionar que estos contaminantes representan una amenaza para la salud humana y para los ecosistemas. 2. Agri cultura de k soya ') L ) Cl La Asociación Americana de la Soya (ASA) es compatible con la definición legal de la agricultura sostenible incluida en la Ley Agrícola de 1990 como "un sistema integrado de prácticas de producción de plantas y animales que tienen una aplicación específica del sitio que, a largo plazo, satisfacen las necesidades de alimentos humanos; mejorarán la calidad del ambiente y la base de recursos naturales de la que depende la economía agrícola; hacen un uso más eficiente de los recursos no renovables y los recursos en las explotaciones e integrar en su caso, los ciclos y controles biológicos naturales; mantienen la viabilidad económica de las operaciones agrícolas; y mejoraran la calidad de vida de los agricultores y la sociedad en su conjunto. Por lo anterior, la ASA aprueba las firmes normativas que se han recibido en México, Australia y Nueva Zelanda [8]. La cáscara de frijol de soya es un subproducto del procesamiento industrial del grano de soya para la producción de aceite, está compuesta principalmente de cáscara de frijol de soya, pequeños trozos de grano y puede haber algún grano de tamaño pequeño. De los residuos de la producción de aceite de soya se cuenta con la cáscara, la cual es utilizada en combinación con diferentes alimentos fibrosos para formar "pellets" y distribuirse como alimento para una variedad de ganados a fin de alcanzar los requerimientos de fibra. Al ser un residuo agroindustrial la cáscara de frijol de soya no cuenta con una gama de usos no contar con usos múltiples, por lo que, puede ser considerado como un precursor de carbón activado con alta disponibilidad a nivel mundial, el estudio que se realizará proporcionará un valor agregado a un residuo agroindustrial. La Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA) y productores de la empresa Proteínas Naturales firmaron un convenio de colaboración para impulsar el cultivo de soya en dos mil hectáreas, a través del esquema de reconversión productiva. Como parte de este acuerdo, la SAGARPA dará como incentivos a la productividad la semilla mejorada, asistencia técnica y el programa de cobertura para la comercialización de este grano, con lo cual se dará mayor certidumbre a los productores, en un proceso para cambiar la siembra de maíz y frijol por soya de alta calidad agroindustrial y con ello disminuir importaciones [9]. México es considerado el cuarto importador de soya a nivel mundial, después de China, la Unión Europea y Japón. Las imp ortaciones de México equivalen a 4.5% de la soya que se comercializa a nivel mundial y en el 2009, México importó 3.5 millones de toneladas [1O]. 2.1 Cáscara de fri jol de soya La cáscara de frijol de soya es un desecho agroindustrial viable para trabajar en la producción de carbón activado (CA) debido a su alta disponibilidad a nivel mundial, donde los máximos exportadores a nivel mundial de soya son Brasil, Argentina y Estados Unidos [11]. En México la producción nacional de oleaginosas ha mantenido un crecimiento en la última década; sin embargo, durante 2016 sólo se cubrió los requerimientos para la producción de aceite de canola, girasol, soya, y cártamo en un 3.67%, 7.49%, 16.93% y 50.50%, respectivamente [12]. La proporción en peso de cáscara de frijol de soya es de la octava parte con respecto al peso total del grano entero, de acuerdo a datos proporcionados por una empresa productora de aceite de soya. A los efectos del presente estudio se define residuo agroindustrial sólido a toda sustancia material u objeto que su tenedor dispone o elimina, tiene la intención de disponer o está obligado a disponer o eliminar. Para la selección de la materia prima como precursor de carbón activado deben tenerse en cuenta varios factores; por ejemplo, que cuente con un alto contenido de carbono, un bajo contenido en material inorgánico (ceniza), suficiente contenido de materia volátil, alta disponibilidad, bajo costo, entre otros. Por lo tanto, la cáscara de frijol de soya puede ser considerada como una alternativa interesante para la producción de carbón activado tomando en cuenta las características antes mencionadas 13]. A inicios del año 2015 el Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA) calculó que la producción mundial de Soya en el periodo 2015 - 2016 será de 320.05 millones de toneladas tomando en consideración que el 8% del peso corresponde a la cáscara de frijol de soya, se estima que alrededor de 24 millones de toneladas de cáscara se generarán como residuo agroindustrial [13]. La cáscara de frijol de soya (CFS) que será utilizada como precursor para la producción del carbón activado a partir de esta cáscara (CACFS); es un residuo agroindustrial de una empresa local productora de aceite de soya; la mencionada empresa reporta contar con alrededor de mil toneladas de cáscara diaria durante un día de trabajo normal. 3 Producci ón de carbón acti vado El carbón activado (CA) es ampliamente estudiado como adsorbente para el tratamiento de aguas residuales para remover contaminantes como metales pesados, colorantes y sustancias farmacéuticas, entre otras, los contaminantes son adsorbidos en la superficie del adsorbente por atracción electrostática, intercambio iónico, enlaces puente de hidrógeno e interacciones 7t-7t [14]. El CA se produce a partir de una variedad de materiales ricos en carbono tales como madera, carbón, lignito y cáscara de frutos y granos lignocelulósicos. La estructura de poros internos dotan al carbón de una desarrollada y elevada área superficial que consiste en micro, meso y macroporos, así como una amplia variedad de grupos funcionales presentes en la superficie del CA lo convierten en un material versátil que tiene numerosas aplicaciones en el área del medio ambiente [15]. Como se ha descrito en la literatura los métodos de activación fisica y química que han sido reportados en años recientes, en �Regaladoa, Nancy E. Dávila-Guzmán y Cynthia V1ridiana Sepúlveda Cervantes general, proporcionan carbones activados con una estructura porosa bien desarrollada, pero la mayoría están restringidas a la gama de microporos. Existe una gran controversia con respecto a las condiciones para el desarrollo de CA mesoporoso, como son: la naturaleza del precursor, temperatura y tiempo de activación, agentes impregnantes y relación de impregnación, así como la velocidad de calentamiento son factores en la producción que llegan a condicionar la estructura porosa de los carbones activados [ 5]. Varios estudios han reportado que para el desarrollo de mesoporosidad se requiere de alta temp eratura o la incorporación de especies inorgánicas en el precursor para lograr una activación química. Sin embargo el agente impregnante, relación de impregnación, precursor y el agente activante utilizado también son reportados por afectar la textura porosa de los CAs [ 5]. Por otro lado, la carga superficial de los CAs proporcionada por los grupos funcionales presentes en la superficie porosa constituyen un papel imp ortante en la adsorción de especies de contaminantes catiónicos o aniónicos. Los grupos funcionales en la superficie del CA derivan principalmente del proceso de activación, precursor, tratamiento térmico y tratamiento químico. La naturaleza y concentración de grupos funcionales superficiales pueden ser modificadas mediante tratamientos químicos o térmicos adecuados para mejorar el rendimiento del CA para la eliminación de contaminantes específicos [ 1 5]. En la estructura del CA, los principales grupos funcionales que, en general, se consideran responsables de la captación de contaminantes incluyen al carboxilo, carbonilo, fenoles, lactonas, quinonas, además de otros; estos grupos funcionales derivan principalmente de la naturaleza característica del precursor y adicional a ello el proceso de activación química y térmica adecuada para mejorar el rendimiento del CA para la eliminación de especies contaminantes específicas. Las propiedades de adsorción del CA se pueden influir de manera significativa por estos grupos funcionales [ 1 5]. En la Figura 1 se muestra el proceso de producción de carbón activado a partir de residuos lignocelulósicos, en un reactor pirolítico, los residuos agro industriales son alimentados y calentados en atmósfera inerte para producir el carbón activado. Mto�ll�bl'(> Ooitlro!:ador ,.fo �je> BJorns$8 Rieecoor plrolí11oo (T > 400 "e) (sora, c.ebad11,. SDfQD. el:c.) csroan &c1 1'illdo Allt<!l!ó Figura l. Proceso de p roducción de carbón activado. Creado con biorender.com 3.1 Opti mi zaci ón en la producci ón de carbón acti vado Para seleccionar las condiciones óptimas (la temperatura, la proporción de impregnación, y el tiempo de activación, entre otros factores) para la producción de carbón activado, varios investigadores han llevado a cabo la optimización usando diseños de experimentos factoriales [ 6]. Esta búsqueda unidimensional es laboriosa y consume mucho tiemp o, especialmente para un gran número de variables. En los últimos años, algunos autores han utilizado diseños experimentales para optimizar y estudiar los efectos de los parámetros del proceso y sus posibles interacciones. En particular, los factores que afectan la producción de carbón activado a partir de desechos industriales lignocelulósicos se han estudiado usando el diseño experimental Taguchi para la optimización de una respuesta y la metodología de superficie de respuesta cuando se optimizaron dos o más respuestas [6]. 4. Metodología para cuanti fi car el i mpacto ambi ental en un si stema Para analizar y cuantificar el impacto ambiental en un sistema de producción se realiza un análisis de ciclo de vida (ACV), el cual estudia los aspectos ambientales y los impactos potenciales a lo largo del ciclo de vida de un producto, servicio o actividad. El ciclo de vida de un producto considera toda su "historia", desde su origen como recursos naturales, hasta su final como residuo; es decir, de la cuna a la tumba. En el análisis ambiental se atribuyen los efectos derivados del consumo de energía, uso directo de recursos naturales, emisiones y residuos generados durante el proceso de producción y de las materias primas utilizadas, así como los efectos ambientales procedentes del fin de vida del producto [ 1 6]. Un ACV completo es muy extenso, por lo que se deben establecer límites en el sistema de estudio, los cuales deben ser especificados e identificables; dichos límites determinarán que los procesos deben incluirse dentro del análisis de ciclo de vida [ 1 6]. Las metodologías para determinar el ACV han sido estandarizadas y se basan en el modelamiento de mecanismos ambientales y en factores de ponderación para evaluar los impactos en ciertas áreas de daño a la naturaleza; en la presente investigación se trabajará con el método ReCiPe, en donde el objetivo es transformar la lista de información del ciclo de vida a un limitado número de indicadores, los cuales expresan la relativa severidad sobre una categoría de impacto ambiental [ 1 6]. Sepúlveda-Cervantes et al, 201 8 estudiaron el imp acto ambiental asociado a la producción de carbón activado a partir de cascarilla de frijol de soya por activación química. La activación se realizó con ZnC12 a tres relaciones de impregnación de la sal, el residuo impregnado fue calentado a 450, 550, y 650ºC en un horno eléctrico durante 30, 1 05, y 1 80 minutos. La atmósfera inerte fue lograda mediante un flujo de 1 L de nitrógeno/min. El estudio incluyó el análisis de ciclo de vida tomando en cuenta cuatro etapas: impregnación, pirolisis, lavado, y secado. Además, los reactivos químicos y consumo eléctrico fue tomado en cuenta dentro d las fronteras del sistema. El modelo de evaluación fue desarrollado mediante el software SimaPro 8.0. Los requerimientos eléctricos para las etapas de imp regnación y pirolisis estuvieron en un rango de 14.28 a 3 9.86 MJ/kg de carbón activado y 2.49 a 3.37 MJ/kg de carbón activado; mientras que la etapa de secado requirió 1 1 3 kJ/kg de carbón activado; como resultado de este proceso un impacto de calentamiento global fue determinado en un rango de 5.86 a 47. 1 5 k CO 2/kg de carbón activado producido [7]. Residuos de hojas de tomate fueron pirolizadas en un rango de temperatura de 25 a 800ºC sobre una atmósfera de N2 (80%) y 02 (20%). El análisis de ciclo de vida fue realizado a este proceso para determinar su huella de carbono; la cual incluye el transporte de las materias primas, molido, producción de bio­ carbón y su transporte, el promedio de la huella de carbono fue �Producción de carbón activado a partir de la cáscara de frijol de soya para su aplicación como adsorbente en el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados 30.8, 39.6, 96.8 y 4.9 kg COif tonelada de bio carbón producido [17]. Paja de arroz enriquecida con cal fue usada como precursor para producir bio-carbon en un horno de tambor; un inventario de ciclo de vida fue realizado mediante SimaPro 8.0.1 al proceso de producción, se reportó un rango de gases de efecto invernadero en un rango de 0.27 a 0.61 Mg CO2 eq [18]. 5. Contami naci ón del agua por metales pesad8 El término metal pesado se refiere a metales o metaloides de masa atómica y gravedad específica de 20 y 5, respectivamente; tales como cadmio (Cd), mercurio (Hg), cobre (Cu), arsénico (As), plomo (Pb) cromo (Cr), níquel (Ni) y Zinc (Zn). Los metales pesados representa una amenaza para la salud humana, ya que pueden causar enfisema, hipertensión, desordenes respiratorios, anorexia, bronquitis crónica, diarrea, dolor abdominal, enfermedad cardiovascular, irritación gastrointestinal, entre otros padecimientos [19]. La presencia de zinc, cadmio, níquel y otros metales en el medio acuoso tiene un efecto potencialmente perjudicial en otros sistemas biológicos y fisiología humana cuando se exceden los niveles aceptables [4]. La contaminación del agua potable puede atribuirse a la toxicidad de metales pesados que pueden estar presentes en tuberías que transportan el vital líquido; la mencionada contaminación pudiera deberse en gran medida al aumento de la concentración de metales pesados cerca de las fuentes industriales de emisión; los metales pesados al no poder ser degradados o destruidos pueden provocar la ingestión de ellos por los seres vivos a través de la cadena alimentaria [4]. La presencia de los metales pesados en el medio ambiente se debe principalmente a procesos naturales y a actividades antropogénicas. Por ejemplo la minería y fundición de materiales ferrosos, la quema de gasolina con plomo, pinturas enriquecidas con plomo son las fuentes responsables de la emisión de este metal al medio ambiente, mientras que el cromo es vertido al medio ambiente por industrias de electroplatinado y tenerías, entre otras. Por otro lado, las erupciones volcánicas, emisiones de industrias productoras de sosa cáustica son las principales fuentes de emisión de mercurio al medio ambiente [20]. De acuerdo a los resultados mostrados en la Tabla 2 se puede observar que los residuos agroindustriales son una fuente importante para la producción de carbón activado. Las variables más estudiadas en la producción del carbón activado son el tipo de agentes activantes, razón de impregnación, tiempo y temperatura de activación. De acuerdo a los datos mostrados en la Tabla 2, se reporta la remoción de Fe(II), Zn(II), Cd(II), Ni (II), Pb(II), entre otros. Se reportan valores de área superficial en un rango de 13.8 a 3014 m2/g, esta propiedad es muy importante ya que se debe principalmente a la porosidad del material adsorbente, la cual permite que el adsorbato acceda a una mayor cantidad de grupos funcionales, los cuales pueden ser básicos o ácidos, éstos últimos son los responsables de la adsorción de cationes, por ejemplo iones metálicos o colorantes catiónicos; los grupos funcionales ácidos de acuerdo al pH de la solución y a valor de su pka pueden disociarse en forma aniónica, bajo estas condiciones los iones metálicos se adsorben sobre los grupos ácidos por atracción electrostática [21]. Tabla 2. Producción de carbón activado a partir de residuos agroindustriales y su aplicación como adsorbente. Ref. Precursor [2] Cáscara arroz [4] Carbón activado comercial de Adsorbato / Remoción (%) Temperatura (ºC) y tiempo (min) de activación Área superficial Volumen total de poro 3 (cm /g) Tratamiento químico Fe (II)/ 100, 650 - 800/ NR. 280 - 3014 1.88 KOH/NaOH Mn (III)/ 100, 700 - 950/ NR. 66 - 1581 0.27 - 0.536 K2CO3/Na2CO3 Zn (II)/100, Ambiente / NR. 66 - 1581 3.528 H3PO4 Cd (II)/ 100, 600 - 900/ NR. 66 - 1581 0.27 - 0.536 CaC12 7H2O/ ZnCli/ Ác. Carboxílico Cadmio (II)/ 86 NR. NR. NR. SiO2 (3-Aminopropil) trietoxisilano Níquel (II)/ 90 Zinc (II)/ 83 [23] Bamboo Pb(Il)/ 24,99,100 Cu(II)/ 0.10, 86, 100 ') L ) Cl Cr(III)/ 0.01, 49, 53 800/ 60 486.80 0.1663 522.90 0.1818 464.70 0.2032 589.65 0.2320 NR. �Regaladoa, Nancy E . Dávila-Guzmán y Cynthia N'iridiana Sepúlveda Cervantes [24] [25] Cáscara maní de Hueso durazno de Ni(II)/ 53 120/ 1440 1 3 .8 0.0378 H2SÜ4,HNÜ3, H2O2 550/ 30 1285 0.45 Vapor de agua 92 1 0.37 603 0.24 438 0.15 400/ 60 479 0.14 Pb(II)/ 57 NR. Hueso de albaricoque Semilla de uva Hueso de aceituna [26] Residuo coco la de Pb(II)/ 1 00 Hg(II)/ 99 Cu(II)/98 [27] Cáscara bellota de NR. 600/ 15 - 60 98 - 1289 0.06 1 - 0.330 [28] Residuo coco de Hg(II)/ 1 00 NR. NR. NR. NR. Pb(II)/ 92 Cd(II)/ 92 Ni(II)/ 92 Cu(II)/ 73 6. Conclusi ones La contaminación por metales pesados es de alta preocupación a nivel global, ya que estos contaminantes no son biodegradables y permanecen en los ecosistemas afectando los equilibrios en los cuerpos de agua; además, afectan de manera significativa la salud humana provocando enfermedades que afectan la calidad de vida de la población. Los residuos agroindustriales son generados en forma abundante por las actividades agrícolas; no obstante que estas actividades están encaminadas a la producción de granos y productos alimenticios, el aprovechamiento de estos productos provoca la generación de residuos; los cuales tienen un amplio potencial para la producción de materiales adsorbentes como son: carbón activado química o fisicamente. Estos materiales adsorbentes han sido ampliamente estudiados para la remoción de metales pesados de soluciones acuosas; no obstante que existen otras tecnologías para la remoción de estos contaminantes la adsorción ha demostrado ser un tratamiento de aguas económico, de fácil aplicación y que no requiere de tecnologías especializadas. La producción de carbón activado por su naturaleza requieren consumos energéticos de moderados a altos, mismos que provocan un impacto ambiental, este impacto puede ser cuantificado mediante la metodología de análisis de ciclo de vida. �Producción de carbón activado a partir de la cáscara de frijol de soya para su aplicación como adsorbente en el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados Referenci as 1. Salud, Organización Mundial de la. OMS. [En línea] Jim Holmes, Febrero de 2015. [Citado el: 25 de Septiembre de 2015.] http://www.who.int/features/factfiles/water/water_facts /es/. 2. Bashir, S.; Zhu, J.; Fu, Q.; Hu, H. Comparing the Adsorption Mechanism of Cd by Rice Straw Pristine and KOH-Modified Biochar. Enviran. Sci. Pollut. Res. 2018, 25 (12), 11875-11883. 3. Zubair, M.; Mu'azu, N. D.; Jarrah, N.; Blaisi, N. l.; Aziz, H. A.; A. Al-Harthi, M. 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El reto más grande en la remoción de As es la presencia de fosfatos y silicatos en el agua los cuáles son químicamente comparables con el As(V). Existen dos principales mecanismos involucrados en la remoción de As: intercambio iónico e interacciones electrostáticas. El pH de la solución es uno de los factores más importantes que limita la eficiencia en la remoción debido a que determina la cantidad y el tipo de especies químicas presentes en el agua. Los procesos que combinan intercambio iónico y adsorción son los métodos que han mostrado resultados notables en la remoción de As en presencia de interferencias de fosfatos y silicatos. Palabras clave: Adsorción; arsénico; intercambio iónico; silicatos; agua potable. Abstract Arsenic (As) in drinking water is a serious public health problem due to its negative impact on human health. Severa! As removal methods have been developed, such as precipitation, adsorption and ion exchange. Toe biggest challenge in As removal is the presence of phosphates and silicates in the water which are chemically comparable to As(V). There are two main mechanisms involved in As removal: ion exchange and electrostatic interactions. Solution pH is one of the most important factors limiting removal efficiency because it determines the amount and type of chemical species present in the water. The processes that combine ion exchange and adsorption are the methods that have shown remarkable results in the removal of As in the presence of phosphate and silicate interferences. Keywords: Adsorption; arsenic; ion-exchange; silicate; drinking water. l. Introducci ón /) J d Los metales pesados pueden encontrarse en el agua por fuentes naturales o antropogénicas. Los metales pesados pueden entrar al cuerpo humano a través del consumo de alimentos o por beber agua potable contaminada [1]. En el caso particular del arsénico, el límite máximo permisible en el agua potable en México es de 25 µg/L, mientras que la Organización Mundial de la Salud (WHO, por sus siglas en inglés) indica un máximo de 10 µg/L. No obstante, hay zonas en donde ese límite es rebasado de forma significativa, por ejemplo, en Sonora se han encontrado concentraciones de 305 µg/L, en la Comarca Lagunera de 865 µg/L y en Hidalgo del orden de hasta 1350 µg/L [2]. En la actualidad, se encuentran algunos métodos para la remoción del arsénico, tales como adsorción, intercambio iónico, fitorremediación, precipitación química, electrocoagulación, tecnologías de membrana, entre otros. Sin embargo, entre los métodos de remoción de arsénico más utilizados se encuentra la adsorción, debido a que tiene una eficiencia de remoción de arsénico mayor al 95% y es económicamente factible [3]. La adsorción es la acumulación de iones o moléculas de un gas, líquido en una superficie. Este proceso crea una capa de adsorbato en la superficie del adsorbente [4]. La adsorción puede ser clasificada como adsorción fisica o adsorción química de acuerdo con el tipo de interacciones que ocurren entre el adsorbente y el adsorbato (Figura 1). """"°'""" .. <I• .-dso<l>M.o qu ...u ¡¡nit!:.l pr., o,-,i;,;; q¡¡lm1ro,. M\111.f<:ao oo ad,orbot<> � e'41I �Ido �QII' I•• '"� •fa Y"'fl D�r W-l�ls S�rfli(ID rl,;,;¡rbonta Figura l . Representación esquemática del proceso de adsorción fisica (izquierda) y adsorción química (derecha) [5]. Los adsorbentes convencionales que han sido estudiados para la remoción de arsénico incluyen carbón activado, alúmina activada y adsorbentes a base de óxidos de hierro. Por otra parte, los adsorbentes no convencionales como los biosorbentes, residuos industriales y adsorbentes modificados, han sido estudiados en las últimas décadas. De los adsorbentes mencionados, se destacan los óxidos de hierro, debido a que tienen una gran área superficial y una alta reactividad intrínseca de los sitios de superficie, así como una alta densidad de sitios activos [6]. El arsénico en medios acuosos se presenta como arsénico (III) y arsénico (V), siendo el primero el más tóxico y dificil de remover. Ambos forman oxianiones con un grado de protonación que depende del pH. La capacidad de adsorción puede verse afectada debido al pH [7], así como a la presencia de iones, como puede ser el fosfato y sílice, sin embargo, este último suele �·on-Castro, Eduardo Soto-Regalado, -Rábago, Nancy E. Dávila-Guzmán • • 1 •! manifestarse en mayor concentración, por lo que toma el rol principal como interferente. El 50% del sílice disuelto se presenta en especies poliméricas, siendo casi en su totalidad las especies diméricas [8]. Después de unos minutos, estas especies recubren la superficie accesible del óxido de hierro, creando una carga superficial aniónica y compitiendo con el arseniato por los sitios de adsorción. Finalmente, tras un periodo de días y semanas, los polímeros de sílice se forman gradualmente en la superficie del adsorbente, con un tamaño que puede variar hasta los 1 00 nm, bloqueando el acceso a los poros internos del óxido de hierro e inhibiendo la adsorción de arsénico [9] . La presencia de sílice en el agua se debe en gran parte a la hidrólisis de los minerales de silicato que entran en contacto con agua subterránea. La concentración de sílice depende en gran medida del tiempo en que ha estado en contacto la roca con el agua [ 1 0] . En el mundo, la concentración de sílice está en un rango de 5-50 mg/L [ 1 1 ] , sin embargo, en México se han reportado concentraciones de hasta 1 1 2.4 mg/L [ 12] . Esto representa un grave problema en la remoción de arsénico, debido a que la capacidad de adsorción del hidróxido de hierro se ve afectada cuando la concentración de sílice rebasa los 40 mg/L [13]. 2. Alúmi na acti vada Majumder (201 8) presentó un estudio sobre la remoción de arseniato por medio de alúmina activada [ 14] . Se logró una capacidad de adsorción de 0.0327 mg/g y se demostró que a bajo pH la alúmina permanece cargada positivamente mientras que las especies del arseniato se quedan cargadas negativamente, lo que significa que favorecen las interacciones electrostáticas entre el arsénico y los grupos funcionales de la alúmina. La alúmina activada al estar presente en un medio acuoso está cubierta con el grupo hidroxilo. A pH bajos se produce la adsorción mediante atracción electrostática, aunque, también puede darse el mecanismo de adsorción por medio del intercambio de ligandos OH. En este último caso, el anión del metal pesado desplaza al OH de la superficie del adsorbente [ 15]. Nakamoto et al. (201 8) plantearon el uso de un material compuesto de óxido de cerio depositado en alúmina activada para la remoción de arsenito y arseniato [ 16]. La alúmina activada tiene propiedades beneficiosas para la remoción de arsénico debido a su alta área superficial, resistencia química y que no es tóxica. A su vez, el óxido de cerio es un adsorbente que tiene alta capacidad de adsorción de arsenito, lo cual lo hace un buen candidato. Estos dos materiales en conjunto lograron una capacidad máxima de adsorción de 13.6 mg/g para el arseniato y 1 0.5 mg/g para el arsenito, superando las capacidades de adsorción de estos adsorbentes por separado. 3. Carbón acti vado El carbón activado es uno de los adsorbentes más utilizados desde hace varias décadas debido a que es un material barato, abundante y del que se ha reportado altas capacidades de adsorción para metales pesados. Tan et al. (2020) utilizaron carbón activado para la remoción de arseniato, logrando una capacidad máxima de adsorción de 1 .59 mg/g [ 1 7] . E l carbón activado tiene baja selectividad para l a remoción de arsénico en medios acuosos debido a la falta de funcionalidades superficiales selectivamente específicas, las cuales adsorben las especies de arsénico. En base a esta problemática, además de buscar disminuir costos Velazquez-Jimenez et al. (201 8) propusieron la modificación de carbono activado con zirconio para la remoción del arseniato [ 1 8] . Se consiguió una capacidad máxima de adsorción de 5.67 mg/g, que es mayor que la reportada en literatura para el carbón activado sin modificar. Ese aumento en la capacidad de adsorción se debió a que los complejos del zirconio-oxalato tenían una carga superficial positiva, que atrajo a los oxianiones del arsénico. 4. óxi dos de hi erro Entre los adsorbentes convencionales, se encuentran los óxidos de hierro. Liu et al. (2020) propusieron la remoción de arsénico mediante compuestos de óxido de hierro hidratado a base de resina [ 1 9]. Las nanopartículas de óxido de hierro hidratado son una excelente opción para la eliminación de arsénico en medios acuosos, sin embargo, son difíciles de aplicar directamente en lecho fijo o flujos continuos, por lo que inmovilizarlo en la superficie de una resina es una buena opción. Se logró una capacidad de adsorción máxima de 60 mg/g para el arseniato y 22 mg/g para el ácido p-arsanílico. El buen desempeño de adsorción se debió a las interacciones electrostáticas por los grupos cargados positivamente. La goetita en polvo es dificil de separar del agua tratada y puede generar inconveniencias en su aplicación en colunmas de lecho empacado. Es por esto que Rarnírez-Muñiz et al. (20 1 8) utilizaron la poliacrilarnída como inmovilizador de la goetita para la remoción de arseniato [20] . No obstante, se descubrió que con un contenido bajo de goetita había más grupos funcionales hidrófilos libres para absorber agua, reduciendo la superficie específica de la goetita. Como resultado, disminuyó la capacidad de adsorción en comparación con la goetita sola 5. Adsorbentes no convenci onales Los adsorbentes provenientes de la naturaleza pueden ser una buena opción si son modificados químicamente para obtener un buen rendimiento de remoción [2 1 ] . Un ejemplo de esto son los minerales de arcilla que tienen una carga superficial negativa, por lo que el arseniato y el arsenito presentan repulsiones electrostáticas con la superficie de las arcillas, mostrando bajos rendimientos de remoción. Mukhopadhyay et al. (20 19) consideraron que se puede mejorar el desempeño de la arcilla en la remoción de arsénico introduciendo moléculas orgánicas en la estructura mineral [22] . Se hizo el estudio comparando la arcilla sin modificar, contra la arcilla modificada por tres agentes orgánicos: hexadecil trímetilamonio, quitosano y ácido cítríco. Se encontró que el mineral teniendo como surfactante el hexadecil trímetilamonio fue el más adecuado por su eficiencia de adsorción y capacidad máxima de adsorción de 473.2 µg/g para el arseniato. Esto se debe a que la introducción de cationes en la superficie de la arcilla provee de cargas positivas que favorecen la interacción con contaminantes aniónicos a través de mecanismos de adsorción fisica. Alam et al. (20 1 8) propusieron la adsorción de arseniato y arsenito en carbón activado derivado de Cassia fistula [23]. Las características del adsorbente como la carga superficial positiva, la presencia de grupos funcionales como los grupos carboxilo y carbonilo y la morfología superficial heterogénea irregular contríbuyeron a una mayor capacidad de adsorción en comparación con otros bioadsorbentes como carbón activado a base de pulpa y hueso de aceituna, y carbón de corteza de roble. Se obtuvo una capacidad de adsorción máxima de 0.78 mg/g para el arsenito y 0.45 mg/g para el arseniato. �Soni et al. (2019) reportaron la síntesis y uso de zeolitas a base de cenizas volantes, dopadas con óxido de grafeno reducido para mejorar la capacidad de adsorción de arsenito y para disminuir costos [24]. Se comprobó que el material compuesto remueve una mayor cantidad de arsénico que la zeolita y el óxido de grafeno reducido, teniendo una concentración residual de arsenito de 8.23 µg/L, en comparación con la zeolita que fue de 24.19 µg/L y de óxido de grafeno reducido, 19.56 µg/L. Karanac et al. (2018) utilizaron un adsorbente a base de cenizas volantes para la remoción de arsénico presente en soluciones acuosas [25]. Las cenizas volantes pueden remover arsénico gracias a que contienen minerales que han sido utilizados para la eliminación de metales pesados en medios acuosos, como los hidróxidos de hierro y aluminio. Para mejorar sus propiedades, se dopó con magnetita, que es un material económico y fácil de operar, debido a sus propiedades magnéticas que le permiten ser fácilmente separado de soluciones acuosas. Esta modificación logró que se consiguiera una capacidad de adsorción máxima de 19.14 mg/g para el arseniato. Esto indica que los adsorbentes provenientes de residuos, como las cenizas volantes, pueden ser utilizados como adsorbentes de bajo costo. Cada vez más se estudia el uso de adsorbentes nanoestructurados para la remoción de contaminantes, ya que poseen características distintivas como una gran superficie específica, excelente reactividad y abundantes sitios de adsorción. Los nanomateriales de óxido de hierro magnético han sido reportados para la remoción de arsénico debido a su propiedad ferromagnética, que permite separar el adsorbente fácilmente del medio acuoso por un campo magnético externo. Deng et al. (2020) reportaron el uso de nanopartículas de dióxido de titanio soportado sobre nano-láminas de óxido magnético, obteniendo una capacidad de adsorción máxima de 36.36 mg/g para el arseniato y 30.96 mg/g para el arsenito [26]. Estos resultados favorables pueden atribuirse a la sinergia entre las nanopartículas de dióxido de titanio y las nano-láminas de óxido de hierro. Ma et al. (2018) propusieron la remoción de arseniato mediante nanotubos de carbono de pared simple recubiertos de nanopartículas de óxido de hierro [27]. Los nanotubos de carbono sirvieron como soporte para las nanopartículas de óxido de hierro, aumentando así su dispersión y propiedad mecánica. Se reportó una capacidad máxima de adsorción de 49.63 mg/g. y se encontró que la velocidad de adsorción es alta sólo cuando hay bajas concentraciones de arsénico. 6. Influenci a de la síli ce en la adsorci ón de arséni co ') L ) Cl Davis et al. (2001) estudiaron las implicaciones de la presencia de sílice en la adsorción de arsénico utilizando óxidos de hierro [8]. Encontraron que a valores de pH por encima de 8.5 y altas concentraciones de sílice disminuía la capacidad de adsorción hasta en un 45%; lo que significa que aumenta la adsorción de sílice a un nivel alto de pH, concentraciones de sílice y tiempo de reacción. Se concluyó que el sílice actúa como interferente debido a los sitios de adsorción. Meng et al. (2002) analizaron los efectos combinados y separados del sílice, bicarbonato y fosfato, utilizando las mismas concentraciones para el sílice y fosfato, en la remoción de arsénico con un adsorbente a base de óxido de hierro [28]. Encontraron un patrón de afinidad: arseniato > fosfato > arsenito > sílice > bicarbonato. No había un efecto significativo con los iones por separado, pero el fosfato, en presencia de sílice y bicarbonato, aumentó. Más tarde, Smith et al. (2005) intentaron superar los efectos del sílice en la remoción de arsénico, agregando calcio a la solución [9]. Se hicieron pruebas utilizando como adsorbente alúmina activada y óxidos de hierro, destacando que la alúmina activada era más sensible a la presencia de sílice. A un pH de 8.5 la adición de calcio aumentó dramáticamente la adsorción de arsénico, pero sólo cuando los tiempos de reacción eran menores a las 4 horas. Se concluyó que la adición de calcio no era efectiva. Nguyen et al. (2011) investigaron el efecto del sílice, vanadatos y fosfatos en la remoción de arsénico con adsorbentes comerciales, considerando también el pH [29]. Descubrieron que a pesar de que los fosfatos tienen mayor afinidad al adsorbente, la sílice los supera debido a que es mayor su concentración que los demás interferentes por tres órdenes de magnitud. No obstante, para el adsorbente a base de óxidos de hierro, se demostró que la capacidad de adsorción sufrió un cambio importante cuando la concentración de sílice aumentó de 33 a 53 mg/L, pero no hubo cambio cuando la concentración pasó de 53 a 73 mg/L. También observaron que disminuyendo el pH mejoraba el proceso de adsorción, pero sólo cuando no hay tan altas concentraciones de sílice. Zhu et al. (2020) evaluaron el efecto de la presencia de iones fosfato y silicato en la remoción de arsénico en nanopartículas de hierro cero valente soportadas en carbón activado [30]. Los resultados mostraron una disminución del 59.2 y 47.5 % en la velocidad de adsorción de arsénico en presencia de fostatos y silicatos, respectivamente, comparada con el control (remoción de arsénico sin interferencias). El As(V), PO/ y Sio/- son aniones tetrahédricos que generan complejos de esfera interior con los grupos funcionales efectivos en la superficie de los óxidos de hierro. 7. Resi nas de i ntercambi o i óni co Urbano et al. (2012) utilizaron una resina con base de N­ metil-d-glucamina para remover arsénico [31]. La selectividad de la resina fuertemente básica siguió el siguiente patrón: sol >HAsO/> cot.._c1>H2AsO4-. Encontraron que la interferencia de aniones como el sulfato y el fosfato son consecuencia de las similitudes tanto estructurales como de carga con el anión arseniato. Sin embargo, los interferentes no tuvieron un gran impacto, pues se obtuvo una capacidad de adsorción máxima de 55 mg As/g. Awual et al. (2013) hicieron pruebas con resinas de intercambio aniónicas débilmente básicas, a base de poliaminas y aminas terciarias, para la remoción de arseniato [32]. Descubrieron que a pH menores aumenta la adsorción de arsénico. Además, se vio que en presencia de iones como nitratos y sulfatos puede haber una disminución hasta 50% de la capacidad de adsorción. Laatikainen et al. (2016) estudiaron la remoción de arsénico en un sistema en continuo combinando intercambio iónico con una resina fuertemente básica y un adsorbente selectivo de arsénico [33]. El proceso propuesto consistió en cuatro columnas, en donde en la segunda colunma se retienen los sulfatos y nitratos utilizando una resina de intercambio iónico, posteriormente, el agua contaminada, pero libre de iones interferentes, va hacia la tercera columna en donde se retiene el arsénico mediante un adsorbente y ya en la cuarta columna sale �• •1 •! agua purificada. El arreglo de las columnas en el sistema aumentó en un 80% la capacidad de adsorción del arsénico. Karakurt et al. (2019) hicieron pruebas con distintas resinas comerciales de intercambio iónico para la remoción de arseniato [34]. Encontraron que las resinas comerciales de intercambio aniónicas débilmente básicas eran afectadas considerablemente por el pH, mientras que la resina fuertemente básica no presentó ningún cambio. Chen et al. (2020) investigaron la remoción de nitratos, vanadio, molibdeno, uranio y arseniatos utilizando resinas de intercambio aniónicas fuertemente básicas en varios sitios de tratamiento de aguas en Estados Unidos [35]. Se observó que la materia orgánica natural podía ser un interferente considerable, disminuyendo la capacidad de adsorción en un 15% en Idaho y 33% en Oregon. 8. Conclusi ones El arsénico es reconocido como un contaminante persistente en agua subterránea con un impacto severo sobre la salud humana cuando es expuesto a través del agua potable, entre otras fuentes. Los materiales adsorbentes y las resinas de intercambio iónico son capaces de remover directamente los iones de As, pero el proceso es altamente dependiente del pH. Sin embargo, la mayoría de los materiales selectivos para la remoción de As son adecuados en el intervalo de pH entre 6 y 8, el cuál es el intervalo de pH del la mayoría de las aguas naturales. La mayoría de los aniones que coexisten en el agua natural con el As, tales como sulfatos, nitratos, bicarbonados, fluoruros y cloruros, no interfieren en la remoción de As. Sin embargo, los fosfatos y silicatos tienen un impacto adverso en la remoción de As debido a que presentan una estructura química similar al As. Un enfoque de remoción dual es necesario para remover los interferentes previo a la adsorción de As. 9. Agradeci mi entos Los autores agradecen el apoyo financiero otorgado por el CONACYT, a través de la beca No. 1080931. 10. Referenci as l . Wolowiec, M.; Komorowska-Kaufman, M.; Pruss, A.; R zepa, G.; B aj da, T. Minerals 2019, 9, 487 . 2. Centro d e Investigaciones e n Materiales Avanzados. https:// cimav . repositorioinstitucional. mx/j spui/bitstrearn/1004/ 105 6/ 1/Lib ro%202013-Arsenico%20en%20 el%20Agua%20 con%20ISBN.pdf. (accesado el 30 de octubre de 2021). 3. Alka, S.; Shahir, S.; Ibrahim, N.; Ndej iko, M. J.; Vo, D.-V. N.; Manan, F. A. J. Clean. Prod. 2020, 9, 123805. 4. Chakraborty, R.; Asthana, A.; Singh, A. K. ; Jain, B.; Susan, A. B . H. Int. Journal Enviran. Anal. Chem. 2020, 102, 342-379. 5. Sarkar, A.; P aul, B. Chemosphere 2016, 158, 37-49. 6. Siddiqui, S. I.; Chaudhry, S. A. Process Saf. Enviran. P rot. 2017, 1 1 1, 592-626. 7 . Stollenwerk, K. G. In Arsenic in Ground Water. Springer: B oston 2003; pp. 67-100. 8 . Davis, C. C.; Knocke, W. R.; Edwards, M. Enviran. Sci. 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Creator An entity primarily responsible for making the resource Fernández Delgadillo, Sergio Salvador, Director Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2010 Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Química hoy Año de publicación El año cuando se publico 2021 Volumen Volumen de la revista 10 Número Número de la revista 4 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Química hoy, 2021, Vol 10, No 4, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource Fernández Delgadillo, Sergio Salvador, Director Subject The topic of the resource Química Bioquímica Ciencia Investigación Ingeniería Química Ciencias Químicas Description An account of the resource La Revista Química Hoy inicia en el 2010 y se publica trimestralmente, es una nueva fuente de comunicación científica para investigadores relacionados con las áreas de la Química. La Revista Química Hoy publica comunicaciones y artículos que presenten resultados experimentales originales en todas las áreas de la teoría y la práctica de la Química en su mas amplio contexto. Así mismo, se aceptan contribuciones originales de revisiones sobre temas científicos de actualidad en Química, donde el autor sea un experto en el tema a tratar. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Gómez de la Fuente, María Idalia del Consuelo, Editora Responsable Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2021 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource text/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020919 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource https://quimicahoy.uanl.mx/index.php/r Coverage The spatial or temporal topic of the resource, the spatial applicability of the resource, or the jurisdiction under which the resource is relevant San Nicolás de los Garza, Nuevo León Access Rights Information about who can access the resource or an indication of its security status. 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