Evaluación de la sorción y eliminación de cobre (II) disuelto en agua mediante el empleo de calcita (CaCO3) biogénica procedente de cáscaras de huevo

Abstract

RESUMEN. Este trabajo analiza el impacto que tienen los metales pesados sobre el medioambiente, se trata de un problema social, económico y ambiental muy grave. La contaminación de acuíferos, aguas superficiales y suelos por este tipo de elementos tóxicos genera efectos adversos significativos sobre los ecosistemas y la salud humana. Entre estos elementos se encuentra el cobre, cuyo efecto nocivo sobre la salud es ampliamente reconocido. En la superficie terrestre, los minerales interactúan constantemente con las aguas naturales, lo que conlleva, en condiciones desfavorables, al deterioro de la calidad del agua. No obstante, la interacción de ciertos minerales o biominerales con aguas contaminadas por metales pesados puede reducir radicalmente su toxicidad mediante procesos de sorción de estos elementos sobre las superficies minerales de estos materiales. La investigación que se presenta aquí se centra en evaluar la eficacia de las cáscaras de huevo de gallina (Gallus gallus domesticus) en la eliminación de Cu (II) disuelto en agua y analizar el efecto que determinados aniones (cloro y acetato) presentes en la disolución ejercen en el proceso de eliminación de este elemento. Para ello se realizaron experimentos de tipo batch de hasta 1 semana de duración en los que se hicieron interaccionar fragmentos de cáscara de huevo (1,0-1,6 mm) con disoluciones de cloruro de cobre y acetato de cobre en diferentes concentraciones ([Cu] = 1000 y 100 mg/L). Se analizaron las muestras sólidas mediante DRX/EDX y SEM, y las disoluciones acuosas mediante ICP-OES. Además, se monitorea el pH de las disoluciones. Se observó que la eficacia de la sorción depende en gran medida del reactivo utilizado, siendo significativamente menor cuando se emplea acetato de cobre. En el caso del cloruro de cobre, la eficiencia dependió de la concentración inicial, siendo muy alta a concentraciones elevadas de cobre y considerablemente menor a concentraciones bajas. Todo ello se interpretó atendiendo al diferente mecanismo de sorción que opera en cada uno de los casos. A concentraciones elevadas de cloruro de cobre, se observó un eficiente proceso de disolución-precipitación, que lleva a la disolución de la calcita biogénica y a la precipitación de atacamita (Cu2Cl(OH)3). En el resto de situaciones, el mecanismo principal de sorción es la adsorción, que resulta mucho menos eficiente. Los estudios cinéticos de sorción mostraron que el cloruro de cobre [Cu]1.000 se ajusta mejor al modelo cinético de pseudo primer orden (R2 de 0,9767), mientras que las interacciones del cloruro de cobre [Cu]100 y el acetato de cobre de [Cu]1.000 y [Cu]100 se ajustan mejor a la isoterma de Freundlich, con R² de 0,9728 para cloruro de cobre [Cu]100, y 0,8833 y 0,95 para acetato de cobre [Cu]1.000 y [Cu]100, respectivamente.ABSTRACT. This study examines the impact of heavy metals on the environment, highlighting it as a severe social, economic, and environmental issue. The contamination of aquifers, surface waters, and soils by these toxic elements results in significant adverse effects on ecosystems and human health. Among these elements, copper is particularly noteworthy due to its widely recognized harmful effects on health. On the Earth’s surface, minerals constantly interact with natural waters, which, under unfavorable conditions, can lead to water quality deterioration. However, the interaction of certain minerals or biominerals with waters contaminated by heavy metals can significantly reduce their toxicity through sorption processes on the mineral surfaces of these materials. The research presented herein focuses on evaluating the effectiveness of chicken egg shells (Gallus gallus domesticus) in removing dissolved Cu (II) from water and analysing the impact of specific anions (chloride and acetate) present in the solution on this removal process. Batch experiments lasting up to one week were conducted, in which egg shell fragments (1.0–1.6 mm) were exposed to solutions with varying concentrations ([Cu] = 1000 and 100 mg/L) of copper chloride and copper acetate. Solid samples were analysed using X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X- ray spectroscopy (EDX), and scanning electron microscopy (SEM), while aqueous solutions were analysed using inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICPOES). The pH of the solutions was also monitored. It was observed that the efficiency of sorption largely depends on the reagent used, being significantly poor with copper acetate. In the case of copper chloride, efficiency depended on the initial concentration, with very high efficiency at elevated copper concentrations and considerably lower efficiency at lower concentrations. This was interpreted in terms of the different sorption mechanisms operating in each case. At high concentrations of copper chloride, an efficient dissolution-precipitation process was observed, leading to the dissolution of biogenic calcite and the precipitation of atacamite (Cu2Cl(OH)3). In other scenarios, the primary sorption mechanism is adsorption, which is much less efficient. Kinetic sorption studies showed that copper chloride [Cu]1.000 best fits the pseudo-first-order kinetic model (R² of 0.9767), while interactions with copper chloride [Cu]100 and copper acetate [Cu]1.000 and [Cu]100 fit the Freundlich isotherm better, with R² values of 0.9728 for copper chloride [Cu]100, and 0.8833 and 0.95 for copper acetate [Cu]1.000 and [Cu]100, respectively.