TERIALES ZEOLÍTICOS CON PROPIEDADES INTERCAMB14D0RAS DE …
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u s o DE LAS CENIZ4S VOLAOTES DEL CARBOacuteN EIV LA SIacuteNTESIS DE MTERIALES ZEOLIacuteTICOS CON PROPIEDADES
INTERCAMB14D0RAS DE ION AMONIO
Jaime Olmedo Peacuterez O y Tiberio Augusto Mesa G
Recibido 040201 Aceptado 181202
Palabras clave zeolita intercambio ioacutenishyco tratamiento de aguas cenizas volantes del carboacuten
Key words zeolites ion exchange wasshytewater treatment coal fly ash
RESUMEN
En esta investigacioacuten se sintetizan las zeolitas F y W a partir de reactivos grado analiacutetico y de las cenizas volantes de carshyboacuten como fuentes de aluminio y silicio
El propoacutesito de la siacutentesis de estos mashyteriales es mostrar la posibilidad econoacutemishyca de su obtencioacuten y su aplicacioacuten potenshycial en la remocioacuten de ion amonio en general de aguas de desecho y especiacuteficashymente de aguas de cultivos pisciacutecolas
Los resultados muestran que las zeolishytas W y F se pueden obtener de las cenizas volantes de carboacuten en forma similar a como se obtienen de reactivos analiacuteticos con poca variacioacuten en los paraacutemetros de siacutentesis
La capacidad de intercambio de ion amonio indica que las zeolitas obtenidas por los dos tipos de fuentes se comportan de manera similar
ABSTRACT
In this research W and F zeolites are synthesized from analytical reagents and from coal fly ash as a source of aluminum and silicon
The primary goal with the synthesis of these materials is to show the possibility of their economic production and their poshytential application in ammonium removal from aquaculmre water and wastewater
The results show that zeolites W and F can be obtained readily from the coal fly ashes almost with the same synthesis pashyrameters as when pureacute analytical reagents are used for the same purpose
Their ammonium ion exchange capashycity indiacutecales that zeolites from both types of sources behave sitnilarly
INTRODUCCIOacuteN
En el transcurso de los uacuteltimos antildeos se ha empezado a tener en cuenta en nuestro paiacutes la importancia del manejo integral de las aguas y la recuperacioacuten de las aguas reshysiduales para evitar el agotamiento de este recurso namral Las aguas residuales de los cultivos pisciacutecolas se han convertido
lnstituto de Quiacutemica Universidad de Antioquia A A 1226 Medelliacuten Colombia
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en una causa del deterioro de este recurso natural En ellas se ha detectado la presenshycia de los iones inorgaacutenicos NH4 NO2 y N03~ resultado de la actividad metaboacuteli-ca los cuales son perjudiciales para la vida acuaacutetica
Numerosos esUidios han demostrado que el nitroacutegeno amoniacal estimula el crecimiento incontrolado de algas produshyciendo eutroficacioacuten (1) Esto origina una demanda mayor de oxigeno lo cual es perjudicial para el cultivo pisciacutecola inshytensivo El ion amonio es tambieacuten toacutexico para los peces y otras especies acuaacuteticas cuando las concentraciones superan 02 mgL (2)
Se han analizado diferentes teacutecnicas para la remocioacuten de compuestos nitrogeshynados (entre ellas la desnitrificacioacuten) usando reactores bioloacutegicos de lecho fijo o fluidizado adsorcioacuten en carboacuten activado en conjunto con remocioacuten de sedimentos ozonizacioacuten e intercambio ioacutenico con mashyteriales zeoliticos y resinas (12)
Las zeolitas son aluminosilicatos crisshytalinos de gran diversidad estrucmral Entre la gran variedad de materiales inorshygaacutenicos (3) se ha encontrado que las zeolishytas F y W sinteacuteticas (456) presentan meshyjores caracteriacutesticas para el intercambio del ion amonio asi como la clinoptilolita entre los materiales naturales (7 8)
La red cristalina de las zeolitas tiene una deficiencia de carga la cual es balanshyceada por cationes generalmente alcalishynos o alcalinoteacuterreos de namraleza intershycambiable
La gran estabilidad teacutermica presentada por algunas zeolitas facilita convertirlas en soacutelidos aacutecidos Su namraleza microporosa
y su alta selectividad hacia especies ioacutenicas permiten utilizarlas en procesos de recupeshyracioacuten de aguas radioactivas en el tratashymiento de aguas residuales municipales industriales agriacutecolas y de acuiculmra (9)
De las zeolitas propuestas la W sinteacutetishyca presenta una topologiacutea similar a la mer-linoiacuteta namral los productos de siacutentesis reportados en la literamra como K-M K-H o Linde W son ideacutenticos a la zeolita W (10) La zeolita F presenta una topoloshygiacutea similar a la edingtonita namral Los productos de siacutentesis reportados en la liteshyramra como K-F o Linde F son la misma zeolita F (11)
El comportamiento de intercambio cashytioacutenico (12 1314) en las zeolitas depende 1) de la topologiacutea del fragmento (configushyracioacuten de los canales y dimensiones) 2) del tamantildeo y forma de los iones anhidros yo hidratados 3) de la densidad de carga en los canales y cajas 4) de la valencia y densidad de carga de los iones 5) de la temperamra de la solucioacuten 6) de la conshycentracioacuten del catioacuten en la solucioacuten y 7) del solvente
La eficiencia de la remocioacuten del ion amonio con zeolitas alcanza valores supeshyriores al 90 La clinoptilolita natural es la maacutes usada dada su asequibilidad y seshylectividad por el ion amonio sobre los ioshynes sodio calcio y magnesio Las zeolitas sinteacuteticas F y W han demostrado ser las maacutes eficientes en el tratamiento de aguas residuales (6)
El propoacutesito del presente trabajo es realizar la siacutentesis y el anaacutelisis comparatishyvo de propiedades de las zeolitas W y F variando la fuente de silicio y aluminio entre reactivos grado analiacutetico y las cenishyzas volantes de carboacuten Por medio del
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intercambio catioacutenico se esmdia la capacishydad y selectividad de los materiales sinteshytizados por el ion amonio presente en las aguas problema el cual se intercambia por iones sodio y potasio presentes originalshymente en la zeolita
PARTE EXPERIMENTAL
Materiales y reactivos Los reactivos usados en los diferentes anaacutelisis y siacutentesis son hidroacutexido de sodio (-1-97 de pureza) silicato de sodio (14 NaOH 27Si02) y silica coloidal (40SiO2 acuoso) de Aldrich hidroacutexido de potasio cloruro de amonio (995) clomro de sodio (995) y cloruro de potasio (995) de Cario Erba alumiacutenalo de sodio (Na2Al2O4082 H2O) EM-Science reactivo de Nessler (solucioacuten A Tetrayodomercuriato(n) potaacutesico) aacutecido fluorhiacutedrico (40) nishytrato de magnesio hexahidratado de Merck cloruro de calcio dihidratado de J T Baker
Las cenizas volantes de carboacuten (coal fly ash) proceden de las calderas de la faacuteshybrica de hilados Fabricato que utiliza carshyboacuten del municipio de Amaga (Antioquia) La composicioacuten quiacutemica del carboacuten y de las cenizas se presenta en la tashybla 1 (datos suministrados por la empresa Fabricato)
magneto con el que se agitan las dispersioshynes que contienen este material
Preparacioacuten de materiales zeolitishycos Siacutentesis de zeolita W La zeolita W se sintetiza por el meacutetodo hidroteacutermico de acuerdo con la relacioacuten molar
6 Na20 24 K2O AI2O3 29 SIacuteO2 400 H2O
El procedimiento tiacutepico para las siacutenteshysis de la zeolita W con reactivos grado analiacutetico es se disuelven 573 g de hidroacuteshyxido de potasio y 227 g de alumiacutenalo de sodio cada uno por separado en 900 g de agua destilada Las soluciones se mezclan y se agitan A esta solucioacuten se adicionan lentamente 1615 g de solucioacuten de silicato de sodio y se continuacutea con la agitacioacuten a temperamra ambiente durante una hora Luego la mezcla se coloca en un reactor de acero inoxidable con recubrimiento de tefloacuten a 150 degC durante 26 horas a presioacuten aulogenerada al terminar la reaccioacuten el reactor se enfriacutea y el producto se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 80 degC
La siacutentesis de la zeolita W usando como reactivo parcial las cenizas livianas de carboacuten y con la anterior relacioacuten molar se lleva a cabo disolviendo 668 g de
Tabla 1 Composicioacuten quimica de las cenizas volanshytes y del carboacuten
Las cenizas seleccionadas para la siacutentesis son aquellas que pasan a traveacutes de un tamiz nuacuteshymero 100 (0150 mm) a las cuales no se les aplica ninguacuten otro tratamiento quiacutemico o fiacutesishyco previo a la siacutentesis a excepshycioacuten de la separacioacuten de la mashyyor cantidad de partiacuteculas magneacuteticas que se adhieren al
Ceniza
SIacuteO2
AI2O3
FczOj
CaO
NaiO
K2O
SO3
Otros
()
443
236
81
81
39
IO
66
44
Carboacuten
Hidroacutegeno
Carbono
Azufre
Nitroacutegeno
Oxiacutegeno
Humedad
()
49
638
05
14
153
47
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hidroacutexido de potasio en un beaker plaacutestico con 900 g de agua destilada Se adicionan 109 g de cenizas livianas como fuente de aluminio y fuente parcial de silicio A la mezcla se le agregan lentamente 900 g de agua destilada y 1480 g de silicato de soshydio se homogeniza durante una hora a temperatura ambiente y luego se transfieshyre a un reactor de acero inoxidable con reshycubrimiento de tefloacuten La reaccioacuten se lleva a cabo a presioacuten autogenerada a 150 degC durante 26 horas El producto se enfriacutea se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 80 degC
Siacutentesis de zeolita F La zeolita F se sintetiza de acuerdo con la relacioacuten molar
60 Na20 160 K2O 10 AI2O3 20 SIacuteO2 180 H2O
Se disuelven 900 g de hidroacutexido de poshytasio y 168 g de hidroacutexido de sodio en 1500 g de agua destilada A esta solucioacuten se le adicionan 091 g de alumiacutenalo de soshydio y se agita hasta obtener una solucioacuten clara a la cual se le adicionan 222 g de soshylucioacuten de silicato de sodio La mezcla se agita durante una hora a temperamra amshybiente y luego se transfiere a un reactor de acero inoxidable con recubrimiento de teshyfloacuten La reaccioacuten se lleva a cabo a presioacuten autogenerada a 90 degC durante 15 horas El producto se enfria se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 70 degC durante 2 horas
Para la siacutentesis de muestras de zeolita F con participacioacuten parcial de las cenizas livianas de carboacuten como reactivo se dishysuelven 1800 g de hidroacutexido de potasio y 432 g de hidroacutexido de sodio en 2040 g de agua destilada y se adiciona una solucioacuten de 054 g de alumiacutenalo de sodio en 1200 g de agua destilada A esta solucioacuten se
adicionan 900 g de cenizas livianas de carboacuten como fuente de silicio y fuente parcial de aluminio Se agita durante una hora a temperatura ambiente y se transfieshyre a un reactor de acero inoxidable con reshycubrimiento de tefloacuten La reaccioacuten se lleshyva a cabo a presioacuten autogenerada a 90 degC durante 15 horas luego el reactor se enshyfria y el producto se filtra y lava con abunshydante agua destilada y se seca a 70 degC dushyrante dos horas
Intercambio de ion amonio El intershycambio de ion amonio se realiza por dos meacutetodos
1 Intercambio discontinuo Se colocan 01000 g de material zeolitico en 50 mi de una solucioacuten acuosa de 194 ppm en cloruro de amonio y se agita durante dos horas a temperamra ambiente Posteriormente la solucioacuten clara se decanta y se analiza la concentracioacuten del ion amonio no intercamshybiado El proceso se repite con una nueva solucioacuten de clomro de amonio hasta que la solucioacuten no cambie en su concentracioacuten inicial Las centimoles totales por kilograshymo de muestra se obtienen por la suma de las centimoles de cada intercambio
2 Intercambio en columna Se colocan 01000 g del material zeolitico en una coshylumna disentildeada para tal fin Se pasa por la muestra solucioacuten de cloruro de amonio de concentracioacuten conocida (20 ppm de NH4) sometida a presioacuten positiva con nishytroacutegeno para obtener velocidades de flujo constantes Se recogen muestras de voluacuteshymenes constantes de solucioacuten eluida y se analiza la concentracioacuten del ion amonio no intercambiado
La columna utilizada es similar a una bureta dividida en dos partes La parte inshyferior tiene una llave de tefloacuten para el
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contiol del flujo Por encima de la llave hay un estrangulamiento de 20 centiacutemeshytros de largo con un diaacutemetro interno de 40 miliacutemetros lo que permite colocar peshyquentildeas cantidades de muestra empacadas en eacutel La segunda parte es un bulbo de vishydrio con capacidad de 500 mL que se coshynecta a la primera por un mbo de tygon
Notacioacuten de muestras Con el fin de facilitar la descripcioacuten las muestras se identifican con la terminologiacutea dada en el siguiente ejemplo 60WC o 60WA que se interpreta como la muestra 60 para una zeolita W preparada a partir de las cenizas livianas de carboacuten C o con reactivos grashydo analiacutetico A
gonioacutemetro de 2degmin el termogravimeacuteshytrico en un equipo TA Instruments Hi-Res TGA 2950 en atmoacutesfera inerte de N2 seco y velocidad de calentamiento de 10degCmin el de microscopiacutea de barrido SEM previo recubrimiento con Au-Pd en un microscopio electroacutenico Hitachi S-510 el elemental cualitativo (arco y chispa) en un espectrofotoacutemetro de red plana PGS2 con un generador de impulso universal UBI 1 de la Cari Zeiss Jena el anaacutelisis de cationes Na y K por absorshycioacuten atoacutemica en un equipo Unicam serie 929 el anaacutelisis colorimeacutetrico de amonio en un Espectronic 20 Milton Roy Comshypany
Equipos El anaacutelisis de fases y de crisshytalinidad de las muestras se lleva a cabo en un difractoacutemetro de rayos X Rigaku serie ME-200 miniflex con radiacioacuten Ka del cobre (X = 15418 Aacute) y velocidad del
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Resultados de las siacutentesis Los resultashydos de las siacutentesis de materiales zeoliticos con reactivos grado analiacutetico y con cenizas
Tabla 2 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con reactivos grado analiacutetico
Muestra
38WA
39WA
44WA
69WA
40WA
43WA
50WA
49WA
61FA
67FA
64FA
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
50
50
30
10
10
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
Temp de cristaliz (degC)
170
170
170
150
150
150
150
150
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
5
12
24
26
60
26
48
26
15
14
21
Fase
( cristalin) |
Desconocida
W (100)
W(55)
W (100) 1
W (94) 1
W (82)
W(91)
W(36)
F(100) 1
F(85)
F (50)
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livianas del carboacuten utilizando el meacutetodo hidroteacutermico se resumen en las tablas 2 y 3 En las siacutentesis se hicieron variaciones de la relacioacuten SiAl temperatura de cristalizashycioacuten tiempo de cristalizacioacuten y tiempo de agitacioacuten con el fin de seleccionar los paraacuteshymetros adecuados para preparar muestras a partir de cenizas livianas de carboacuten
En la tabla 2 se observa que los paraacutemeshytros oacuteptimos de siacutentesis de las zeolitas W a partir de reactivos grado analiacutetico son temperamra de cristalizacioacuten de 150 degC dushyrante 26 horas de reaccioacuten y una relacioacuten SiAl de 145 en el gel de siacutentesis La dismishynucioacuten de esta relacioacuten no fue posible debishydo a que a valores menores de la relacioacuten no se presenta la fase cristalina deseada o se presenta con baja cristalinidad
Algunos resultados de la siacutentesis de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico
se presentan igualmente en la tabla 2 La temperamra de cristalizacioacuten y la relashycioacuten SiAl en el gel seleccionado para las siacutentesis del material son los reportados en el trabajo de Bosmans (7) El tiempo de cristalizacioacuten obtenido para la siacutentesis es 15 horas Para tiempos mayores se manshytiene la fase cristalina y no presenta camshybios hasta por 24 horas para tiempos meshynores se presenta la fase pero de menor cristalinidad
En la tabla 3 se presentan los resultados de siacutentesis para los materiales zeoliticos tipo F y W a partir de cenizas livianas de carboacuten En estas siacutentesis se tienen en cuenshyta los paraacutemetros utilizados para los mateshyriales zeoliticos a partir de reactivos grado analiacutetico y se realiza un estudio de tiempo de agitacioacuten de las cenizas y su efecto en una mejor dispersioacuten en el gel de siacutentesis y de productos obtenidos
Tabla 3 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con cenizas livianas del carboacuten
Muestra
55-1WC
55-2WC
58WC
65-1WC
73WC
70-2WC
70-3WC
52FC
56-2FC
66FC
57FC
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
145
145
10
IO
IO
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
IO
10
60
12
40
40
40
10
40
12
30
Temp de cristaliz (degC)
150
150
150
150
150
150
150
90
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
12
20
24
26
26
39
52
48
24
14
15
Fase ( cristalin)
Desconocida
Desconocida
W (55)
W (64)
W(82)
W (84)
W (82)
F (45)
F (50)
F (54)
F (50)
Se observa la presencia de cuarzo en las muestras
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Se observa que en la mayoriacutea de los ensayos para la preparacioacuten de la zeolita W se logra obtener la fase cristalina deseashyda concluyeacutendose que las cenizas livianas de carboacuten no afectan los paraacutemetros de siacutentesis previamente experimentados y que la matriz de la misma no afecta la exshytraccioacuten del Si ni del Al para la formacioacuten de dicha zeolita
Los productos de la siacutentesis de zeolita F a partir de las cenizas livianas aparecen con algo de cuarzo el cual estaacute originalshymente en las cenizas y debido a la baja temperamra y al tiempo corto de siacutentesis no alcanza a disolverse El rendimiento de los materiales preparados a partir de reacshytivos grado analiacutetico fue 200 y 260 para las zeolitas F y W respectivamente con base en el SIacuteO2 inicial Las zeolitas equivalentes preparadas usando cenizas volantes de carboacuten tienen un rendimiento maacuteximo del 21 para la zeolita W para la F no se establecioacute debido a que el material inerte presente en el material inicial no reacciona ni se disuelve como el cuarzo
Difraccioacuten de rayos X Los difracto-gramas revelan que los materiales sintetishyzados presentan una fase cristalina definishyda de acuerdo con patrones de referencia de la literamra (15) y corresponden a las zeolitas F y W Mediante la comparacioacuten de la intensidad de los picos del difracto-grama de la mejor muestra obtenida con reactivos grado analiacutetico se establecen los materiales de mayor cristalinidad y las mejores condiciones de siacutentesis
En la figura la se aprecia el anaacutelisis de difraccioacuten de rayos X para la muestra 61FA preparada con reactivos grado analiacutetico el cual presenta un patroacuten caracshyteriacutestico de zeolita F que concuerda muy
bien con el reportado por la hteramra( 15) Este difractograma se usa como referencia para establecer la calidad de las otras muestras
Los difractogramas de las figuras Ib y le (muestras 56FC y 57FC respectivashymente) son materiales preparados a partir de cenizas livianas de carboacuten En ellos se aprecian sentildeales caracteriacutesticas de la zeoshylita F y del cuarzo (marcadas con asterisshyco) material presente originalmente en las cenizas y que en las condiciones de siacutentesis no se disuelve totalmente Estas dos muestras no presentan diferencias apreciables ya que fueron preparadas en las mismas condiciones de siacutentesis pero en diferentes ocasiones lo que indica la reproducibilidad de la siacutentesis en presenshycia de cenizas livianas de carboacuten
En el difractograma de la figura Id de la muestra 57FC calcinada a 550 degC dushyrante dos horas se aprecia un desplazashymiento pequentildeo hacia valores de sentildeales 20 mayores Dicho aumento no es mayor de 1deg lo que permite concluir que la esshytmcmra cristalina se preserva y que este tipo de zeolitas es teacutermicamente estable
En la figura le se aprecia el patroacuten de difraccioacuten de rayos X para la muestra 69WA identificada como zeolita W por comparacioacuten con patrones de difraccioacuten de la literatura (15) La figura If es el dishyfractograma de la misma muestra pero inshytercambiada con el ion amonio Se aprecia un desplazamiento en las sentildeales con resshypecto a la no intercambiada (figura le) hacia valores de 26 mayores y la preservashycioacuten de la estrucmra cristalina
Los difractogramas de las figuras Ig y Ih corresponden a la muestra 73WC
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preparada usando cenizas livianas de carshyboacuten sin intercambiar e intercambiada con ion amonio respectivamente Se observa que estas muestras aunque involucran ceshynizas livianas de carboacuten producen una buena cristalinidad de la fase W y no preshysentan otras fases
Los difractogramas de las figuras le y If permiten establecer que las reflexiones con espaciamientos d = 444Aacute y 37 lAacute (29 = 200deg y 240deg) sufren modificaciones en su intensidad despueacutes del intercambio de material lo que podriacutea utilizarse en un trashybajo posterior con un difractoacutemetro de mayor precisioacuten y sensibilidad para moshynitorear el intercambio
Anaacutelisis elemental cualitativo por esshypectrometriacutea de arco y chispa En la tabla 4 se observan los resultados del anaacutelisis de cenizas livianas de carboacuten como se reciben en el laboratorio y de muestras de zeolita W preparadas con cenizas (73WC) y con
reactivos grado analiacutetico (69WA) Se obshyserva que el Zn y la Ag presentes en las cenizas no aparecen en la zeolita pero que persisten sentildeales de Fe y Mg que pueden tener influencia en sus propiedades depenshydiendo de la ubicacioacuten de estos cationes en la estmcmra
Es muy probable que el hierro (3-I-) se ubique en la red ya que sustimye al alumishynio que tambieacuten es trivalente y por lo tanshyto no afectariacutea con cambios notorios el inshytercambio El magnesio por su condicioacuten divalente prefiere sitios de intercambio donde hay dos aluminios cercanos en la estrucmra De nuevo el intercambio no se afectariacutea si el sitio es accesible a los iones problema que se desea separar
Los compuestos de hierro son abunshydantes en las cenizas y parte de ellos son separables magneacuteticamente
Anaacutelisis de los cationes Na y K Los resultados del anaacutelisis de los cationes Na
_JJLJUVWJ
10 20 30 40 50 2 6
Figura 1 Difraccioacuten de rayos X de muestras de zeolita F y W a 61FA b 56FC c 57FC d 57FC calcishy
nada e 69WA f 69WA intercambia i g 73WC h 73WC intercambiada Sentildeal del cuarzo
110
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
111
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
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en una causa del deterioro de este recurso natural En ellas se ha detectado la presenshycia de los iones inorgaacutenicos NH4 NO2 y N03~ resultado de la actividad metaboacuteli-ca los cuales son perjudiciales para la vida acuaacutetica
Numerosos esUidios han demostrado que el nitroacutegeno amoniacal estimula el crecimiento incontrolado de algas produshyciendo eutroficacioacuten (1) Esto origina una demanda mayor de oxigeno lo cual es perjudicial para el cultivo pisciacutecola inshytensivo El ion amonio es tambieacuten toacutexico para los peces y otras especies acuaacuteticas cuando las concentraciones superan 02 mgL (2)
Se han analizado diferentes teacutecnicas para la remocioacuten de compuestos nitrogeshynados (entre ellas la desnitrificacioacuten) usando reactores bioloacutegicos de lecho fijo o fluidizado adsorcioacuten en carboacuten activado en conjunto con remocioacuten de sedimentos ozonizacioacuten e intercambio ioacutenico con mashyteriales zeoliticos y resinas (12)
Las zeolitas son aluminosilicatos crisshytalinos de gran diversidad estrucmral Entre la gran variedad de materiales inorshygaacutenicos (3) se ha encontrado que las zeolishytas F y W sinteacuteticas (456) presentan meshyjores caracteriacutesticas para el intercambio del ion amonio asi como la clinoptilolita entre los materiales naturales (7 8)
La red cristalina de las zeolitas tiene una deficiencia de carga la cual es balanshyceada por cationes generalmente alcalishynos o alcalinoteacuterreos de namraleza intershycambiable
La gran estabilidad teacutermica presentada por algunas zeolitas facilita convertirlas en soacutelidos aacutecidos Su namraleza microporosa
y su alta selectividad hacia especies ioacutenicas permiten utilizarlas en procesos de recupeshyracioacuten de aguas radioactivas en el tratashymiento de aguas residuales municipales industriales agriacutecolas y de acuiculmra (9)
De las zeolitas propuestas la W sinteacutetishyca presenta una topologiacutea similar a la mer-linoiacuteta namral los productos de siacutentesis reportados en la literamra como K-M K-H o Linde W son ideacutenticos a la zeolita W (10) La zeolita F presenta una topoloshygiacutea similar a la edingtonita namral Los productos de siacutentesis reportados en la liteshyramra como K-F o Linde F son la misma zeolita F (11)
El comportamiento de intercambio cashytioacutenico (12 1314) en las zeolitas depende 1) de la topologiacutea del fragmento (configushyracioacuten de los canales y dimensiones) 2) del tamantildeo y forma de los iones anhidros yo hidratados 3) de la densidad de carga en los canales y cajas 4) de la valencia y densidad de carga de los iones 5) de la temperamra de la solucioacuten 6) de la conshycentracioacuten del catioacuten en la solucioacuten y 7) del solvente
La eficiencia de la remocioacuten del ion amonio con zeolitas alcanza valores supeshyriores al 90 La clinoptilolita natural es la maacutes usada dada su asequibilidad y seshylectividad por el ion amonio sobre los ioshynes sodio calcio y magnesio Las zeolitas sinteacuteticas F y W han demostrado ser las maacutes eficientes en el tratamiento de aguas residuales (6)
El propoacutesito del presente trabajo es realizar la siacutentesis y el anaacutelisis comparatishyvo de propiedades de las zeolitas W y F variando la fuente de silicio y aluminio entre reactivos grado analiacutetico y las cenishyzas volantes de carboacuten Por medio del
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intercambio catioacutenico se esmdia la capacishydad y selectividad de los materiales sinteshytizados por el ion amonio presente en las aguas problema el cual se intercambia por iones sodio y potasio presentes originalshymente en la zeolita
PARTE EXPERIMENTAL
Materiales y reactivos Los reactivos usados en los diferentes anaacutelisis y siacutentesis son hidroacutexido de sodio (-1-97 de pureza) silicato de sodio (14 NaOH 27Si02) y silica coloidal (40SiO2 acuoso) de Aldrich hidroacutexido de potasio cloruro de amonio (995) clomro de sodio (995) y cloruro de potasio (995) de Cario Erba alumiacutenalo de sodio (Na2Al2O4082 H2O) EM-Science reactivo de Nessler (solucioacuten A Tetrayodomercuriato(n) potaacutesico) aacutecido fluorhiacutedrico (40) nishytrato de magnesio hexahidratado de Merck cloruro de calcio dihidratado de J T Baker
Las cenizas volantes de carboacuten (coal fly ash) proceden de las calderas de la faacuteshybrica de hilados Fabricato que utiliza carshyboacuten del municipio de Amaga (Antioquia) La composicioacuten quiacutemica del carboacuten y de las cenizas se presenta en la tashybla 1 (datos suministrados por la empresa Fabricato)
magneto con el que se agitan las dispersioshynes que contienen este material
Preparacioacuten de materiales zeolitishycos Siacutentesis de zeolita W La zeolita W se sintetiza por el meacutetodo hidroteacutermico de acuerdo con la relacioacuten molar
6 Na20 24 K2O AI2O3 29 SIacuteO2 400 H2O
El procedimiento tiacutepico para las siacutenteshysis de la zeolita W con reactivos grado analiacutetico es se disuelven 573 g de hidroacuteshyxido de potasio y 227 g de alumiacutenalo de sodio cada uno por separado en 900 g de agua destilada Las soluciones se mezclan y se agitan A esta solucioacuten se adicionan lentamente 1615 g de solucioacuten de silicato de sodio y se continuacutea con la agitacioacuten a temperamra ambiente durante una hora Luego la mezcla se coloca en un reactor de acero inoxidable con recubrimiento de tefloacuten a 150 degC durante 26 horas a presioacuten aulogenerada al terminar la reaccioacuten el reactor se enfriacutea y el producto se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 80 degC
La siacutentesis de la zeolita W usando como reactivo parcial las cenizas livianas de carboacuten y con la anterior relacioacuten molar se lleva a cabo disolviendo 668 g de
Tabla 1 Composicioacuten quimica de las cenizas volanshytes y del carboacuten
Las cenizas seleccionadas para la siacutentesis son aquellas que pasan a traveacutes de un tamiz nuacuteshymero 100 (0150 mm) a las cuales no se les aplica ninguacuten otro tratamiento quiacutemico o fiacutesishyco previo a la siacutentesis a excepshycioacuten de la separacioacuten de la mashyyor cantidad de partiacuteculas magneacuteticas que se adhieren al
Ceniza
SIacuteO2
AI2O3
FczOj
CaO
NaiO
K2O
SO3
Otros
()
443
236
81
81
39
IO
66
44
Carboacuten
Hidroacutegeno
Carbono
Azufre
Nitroacutegeno
Oxiacutegeno
Humedad
()
49
638
05
14
153
47
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hidroacutexido de potasio en un beaker plaacutestico con 900 g de agua destilada Se adicionan 109 g de cenizas livianas como fuente de aluminio y fuente parcial de silicio A la mezcla se le agregan lentamente 900 g de agua destilada y 1480 g de silicato de soshydio se homogeniza durante una hora a temperatura ambiente y luego se transfieshyre a un reactor de acero inoxidable con reshycubrimiento de tefloacuten La reaccioacuten se lleva a cabo a presioacuten autogenerada a 150 degC durante 26 horas El producto se enfriacutea se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 80 degC
Siacutentesis de zeolita F La zeolita F se sintetiza de acuerdo con la relacioacuten molar
60 Na20 160 K2O 10 AI2O3 20 SIacuteO2 180 H2O
Se disuelven 900 g de hidroacutexido de poshytasio y 168 g de hidroacutexido de sodio en 1500 g de agua destilada A esta solucioacuten se le adicionan 091 g de alumiacutenalo de soshydio y se agita hasta obtener una solucioacuten clara a la cual se le adicionan 222 g de soshylucioacuten de silicato de sodio La mezcla se agita durante una hora a temperamra amshybiente y luego se transfiere a un reactor de acero inoxidable con recubrimiento de teshyfloacuten La reaccioacuten se lleva a cabo a presioacuten autogenerada a 90 degC durante 15 horas El producto se enfria se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 70 degC durante 2 horas
Para la siacutentesis de muestras de zeolita F con participacioacuten parcial de las cenizas livianas de carboacuten como reactivo se dishysuelven 1800 g de hidroacutexido de potasio y 432 g de hidroacutexido de sodio en 2040 g de agua destilada y se adiciona una solucioacuten de 054 g de alumiacutenalo de sodio en 1200 g de agua destilada A esta solucioacuten se
adicionan 900 g de cenizas livianas de carboacuten como fuente de silicio y fuente parcial de aluminio Se agita durante una hora a temperatura ambiente y se transfieshyre a un reactor de acero inoxidable con reshycubrimiento de tefloacuten La reaccioacuten se lleshyva a cabo a presioacuten autogenerada a 90 degC durante 15 horas luego el reactor se enshyfria y el producto se filtra y lava con abunshydante agua destilada y se seca a 70 degC dushyrante dos horas
Intercambio de ion amonio El intershycambio de ion amonio se realiza por dos meacutetodos
1 Intercambio discontinuo Se colocan 01000 g de material zeolitico en 50 mi de una solucioacuten acuosa de 194 ppm en cloruro de amonio y se agita durante dos horas a temperamra ambiente Posteriormente la solucioacuten clara se decanta y se analiza la concentracioacuten del ion amonio no intercamshybiado El proceso se repite con una nueva solucioacuten de clomro de amonio hasta que la solucioacuten no cambie en su concentracioacuten inicial Las centimoles totales por kilograshymo de muestra se obtienen por la suma de las centimoles de cada intercambio
2 Intercambio en columna Se colocan 01000 g del material zeolitico en una coshylumna disentildeada para tal fin Se pasa por la muestra solucioacuten de cloruro de amonio de concentracioacuten conocida (20 ppm de NH4) sometida a presioacuten positiva con nishytroacutegeno para obtener velocidades de flujo constantes Se recogen muestras de voluacuteshymenes constantes de solucioacuten eluida y se analiza la concentracioacuten del ion amonio no intercambiado
La columna utilizada es similar a una bureta dividida en dos partes La parte inshyferior tiene una llave de tefloacuten para el
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contiol del flujo Por encima de la llave hay un estrangulamiento de 20 centiacutemeshytros de largo con un diaacutemetro interno de 40 miliacutemetros lo que permite colocar peshyquentildeas cantidades de muestra empacadas en eacutel La segunda parte es un bulbo de vishydrio con capacidad de 500 mL que se coshynecta a la primera por un mbo de tygon
Notacioacuten de muestras Con el fin de facilitar la descripcioacuten las muestras se identifican con la terminologiacutea dada en el siguiente ejemplo 60WC o 60WA que se interpreta como la muestra 60 para una zeolita W preparada a partir de las cenizas livianas de carboacuten C o con reactivos grashydo analiacutetico A
gonioacutemetro de 2degmin el termogravimeacuteshytrico en un equipo TA Instruments Hi-Res TGA 2950 en atmoacutesfera inerte de N2 seco y velocidad de calentamiento de 10degCmin el de microscopiacutea de barrido SEM previo recubrimiento con Au-Pd en un microscopio electroacutenico Hitachi S-510 el elemental cualitativo (arco y chispa) en un espectrofotoacutemetro de red plana PGS2 con un generador de impulso universal UBI 1 de la Cari Zeiss Jena el anaacutelisis de cationes Na y K por absorshycioacuten atoacutemica en un equipo Unicam serie 929 el anaacutelisis colorimeacutetrico de amonio en un Espectronic 20 Milton Roy Comshypany
Equipos El anaacutelisis de fases y de crisshytalinidad de las muestras se lleva a cabo en un difractoacutemetro de rayos X Rigaku serie ME-200 miniflex con radiacioacuten Ka del cobre (X = 15418 Aacute) y velocidad del
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Resultados de las siacutentesis Los resultashydos de las siacutentesis de materiales zeoliticos con reactivos grado analiacutetico y con cenizas
Tabla 2 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con reactivos grado analiacutetico
Muestra
38WA
39WA
44WA
69WA
40WA
43WA
50WA
49WA
61FA
67FA
64FA
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
50
50
30
10
10
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
Temp de cristaliz (degC)
170
170
170
150
150
150
150
150
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
5
12
24
26
60
26
48
26
15
14
21
Fase
( cristalin) |
Desconocida
W (100)
W(55)
W (100) 1
W (94) 1
W (82)
W(91)
W(36)
F(100) 1
F(85)
F (50)
107
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livianas del carboacuten utilizando el meacutetodo hidroteacutermico se resumen en las tablas 2 y 3 En las siacutentesis se hicieron variaciones de la relacioacuten SiAl temperatura de cristalizashycioacuten tiempo de cristalizacioacuten y tiempo de agitacioacuten con el fin de seleccionar los paraacuteshymetros adecuados para preparar muestras a partir de cenizas livianas de carboacuten
En la tabla 2 se observa que los paraacutemeshytros oacuteptimos de siacutentesis de las zeolitas W a partir de reactivos grado analiacutetico son temperamra de cristalizacioacuten de 150 degC dushyrante 26 horas de reaccioacuten y una relacioacuten SiAl de 145 en el gel de siacutentesis La dismishynucioacuten de esta relacioacuten no fue posible debishydo a que a valores menores de la relacioacuten no se presenta la fase cristalina deseada o se presenta con baja cristalinidad
Algunos resultados de la siacutentesis de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico
se presentan igualmente en la tabla 2 La temperamra de cristalizacioacuten y la relashycioacuten SiAl en el gel seleccionado para las siacutentesis del material son los reportados en el trabajo de Bosmans (7) El tiempo de cristalizacioacuten obtenido para la siacutentesis es 15 horas Para tiempos mayores se manshytiene la fase cristalina y no presenta camshybios hasta por 24 horas para tiempos meshynores se presenta la fase pero de menor cristalinidad
En la tabla 3 se presentan los resultados de siacutentesis para los materiales zeoliticos tipo F y W a partir de cenizas livianas de carboacuten En estas siacutentesis se tienen en cuenshyta los paraacutemetros utilizados para los mateshyriales zeoliticos a partir de reactivos grado analiacutetico y se realiza un estudio de tiempo de agitacioacuten de las cenizas y su efecto en una mejor dispersioacuten en el gel de siacutentesis y de productos obtenidos
Tabla 3 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con cenizas livianas del carboacuten
Muestra
55-1WC
55-2WC
58WC
65-1WC
73WC
70-2WC
70-3WC
52FC
56-2FC
66FC
57FC
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
145
145
10
IO
IO
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
IO
10
60
12
40
40
40
10
40
12
30
Temp de cristaliz (degC)
150
150
150
150
150
150
150
90
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
12
20
24
26
26
39
52
48
24
14
15
Fase ( cristalin)
Desconocida
Desconocida
W (55)
W (64)
W(82)
W (84)
W (82)
F (45)
F (50)
F (54)
F (50)
Se observa la presencia de cuarzo en las muestras
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Se observa que en la mayoriacutea de los ensayos para la preparacioacuten de la zeolita W se logra obtener la fase cristalina deseashyda concluyeacutendose que las cenizas livianas de carboacuten no afectan los paraacutemetros de siacutentesis previamente experimentados y que la matriz de la misma no afecta la exshytraccioacuten del Si ni del Al para la formacioacuten de dicha zeolita
Los productos de la siacutentesis de zeolita F a partir de las cenizas livianas aparecen con algo de cuarzo el cual estaacute originalshymente en las cenizas y debido a la baja temperamra y al tiempo corto de siacutentesis no alcanza a disolverse El rendimiento de los materiales preparados a partir de reacshytivos grado analiacutetico fue 200 y 260 para las zeolitas F y W respectivamente con base en el SIacuteO2 inicial Las zeolitas equivalentes preparadas usando cenizas volantes de carboacuten tienen un rendimiento maacuteximo del 21 para la zeolita W para la F no se establecioacute debido a que el material inerte presente en el material inicial no reacciona ni se disuelve como el cuarzo
Difraccioacuten de rayos X Los difracto-gramas revelan que los materiales sintetishyzados presentan una fase cristalina definishyda de acuerdo con patrones de referencia de la literamra (15) y corresponden a las zeolitas F y W Mediante la comparacioacuten de la intensidad de los picos del difracto-grama de la mejor muestra obtenida con reactivos grado analiacutetico se establecen los materiales de mayor cristalinidad y las mejores condiciones de siacutentesis
En la figura la se aprecia el anaacutelisis de difraccioacuten de rayos X para la muestra 61FA preparada con reactivos grado analiacutetico el cual presenta un patroacuten caracshyteriacutestico de zeolita F que concuerda muy
bien con el reportado por la hteramra( 15) Este difractograma se usa como referencia para establecer la calidad de las otras muestras
Los difractogramas de las figuras Ib y le (muestras 56FC y 57FC respectivashymente) son materiales preparados a partir de cenizas livianas de carboacuten En ellos se aprecian sentildeales caracteriacutesticas de la zeoshylita F y del cuarzo (marcadas con asterisshyco) material presente originalmente en las cenizas y que en las condiciones de siacutentesis no se disuelve totalmente Estas dos muestras no presentan diferencias apreciables ya que fueron preparadas en las mismas condiciones de siacutentesis pero en diferentes ocasiones lo que indica la reproducibilidad de la siacutentesis en presenshycia de cenizas livianas de carboacuten
En el difractograma de la figura Id de la muestra 57FC calcinada a 550 degC dushyrante dos horas se aprecia un desplazashymiento pequentildeo hacia valores de sentildeales 20 mayores Dicho aumento no es mayor de 1deg lo que permite concluir que la esshytmcmra cristalina se preserva y que este tipo de zeolitas es teacutermicamente estable
En la figura le se aprecia el patroacuten de difraccioacuten de rayos X para la muestra 69WA identificada como zeolita W por comparacioacuten con patrones de difraccioacuten de la literatura (15) La figura If es el dishyfractograma de la misma muestra pero inshytercambiada con el ion amonio Se aprecia un desplazamiento en las sentildeales con resshypecto a la no intercambiada (figura le) hacia valores de 26 mayores y la preservashycioacuten de la estrucmra cristalina
Los difractogramas de las figuras Ig y Ih corresponden a la muestra 73WC
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preparada usando cenizas livianas de carshyboacuten sin intercambiar e intercambiada con ion amonio respectivamente Se observa que estas muestras aunque involucran ceshynizas livianas de carboacuten producen una buena cristalinidad de la fase W y no preshysentan otras fases
Los difractogramas de las figuras le y If permiten establecer que las reflexiones con espaciamientos d = 444Aacute y 37 lAacute (29 = 200deg y 240deg) sufren modificaciones en su intensidad despueacutes del intercambio de material lo que podriacutea utilizarse en un trashybajo posterior con un difractoacutemetro de mayor precisioacuten y sensibilidad para moshynitorear el intercambio
Anaacutelisis elemental cualitativo por esshypectrometriacutea de arco y chispa En la tabla 4 se observan los resultados del anaacutelisis de cenizas livianas de carboacuten como se reciben en el laboratorio y de muestras de zeolita W preparadas con cenizas (73WC) y con
reactivos grado analiacutetico (69WA) Se obshyserva que el Zn y la Ag presentes en las cenizas no aparecen en la zeolita pero que persisten sentildeales de Fe y Mg que pueden tener influencia en sus propiedades depenshydiendo de la ubicacioacuten de estos cationes en la estmcmra
Es muy probable que el hierro (3-I-) se ubique en la red ya que sustimye al alumishynio que tambieacuten es trivalente y por lo tanshyto no afectariacutea con cambios notorios el inshytercambio El magnesio por su condicioacuten divalente prefiere sitios de intercambio donde hay dos aluminios cercanos en la estrucmra De nuevo el intercambio no se afectariacutea si el sitio es accesible a los iones problema que se desea separar
Los compuestos de hierro son abunshydantes en las cenizas y parte de ellos son separables magneacuteticamente
Anaacutelisis de los cationes Na y K Los resultados del anaacutelisis de los cationes Na
_JJLJUVWJ
10 20 30 40 50 2 6
Figura 1 Difraccioacuten de rayos X de muestras de zeolita F y W a 61FA b 56FC c 57FC d 57FC calcishy
nada e 69WA f 69WA intercambia i g 73WC h 73WC intercambiada Sentildeal del cuarzo
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
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15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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intercambio catioacutenico se esmdia la capacishydad y selectividad de los materiales sinteshytizados por el ion amonio presente en las aguas problema el cual se intercambia por iones sodio y potasio presentes originalshymente en la zeolita
PARTE EXPERIMENTAL
Materiales y reactivos Los reactivos usados en los diferentes anaacutelisis y siacutentesis son hidroacutexido de sodio (-1-97 de pureza) silicato de sodio (14 NaOH 27Si02) y silica coloidal (40SiO2 acuoso) de Aldrich hidroacutexido de potasio cloruro de amonio (995) clomro de sodio (995) y cloruro de potasio (995) de Cario Erba alumiacutenalo de sodio (Na2Al2O4082 H2O) EM-Science reactivo de Nessler (solucioacuten A Tetrayodomercuriato(n) potaacutesico) aacutecido fluorhiacutedrico (40) nishytrato de magnesio hexahidratado de Merck cloruro de calcio dihidratado de J T Baker
Las cenizas volantes de carboacuten (coal fly ash) proceden de las calderas de la faacuteshybrica de hilados Fabricato que utiliza carshyboacuten del municipio de Amaga (Antioquia) La composicioacuten quiacutemica del carboacuten y de las cenizas se presenta en la tashybla 1 (datos suministrados por la empresa Fabricato)
magneto con el que se agitan las dispersioshynes que contienen este material
Preparacioacuten de materiales zeolitishycos Siacutentesis de zeolita W La zeolita W se sintetiza por el meacutetodo hidroteacutermico de acuerdo con la relacioacuten molar
6 Na20 24 K2O AI2O3 29 SIacuteO2 400 H2O
El procedimiento tiacutepico para las siacutenteshysis de la zeolita W con reactivos grado analiacutetico es se disuelven 573 g de hidroacuteshyxido de potasio y 227 g de alumiacutenalo de sodio cada uno por separado en 900 g de agua destilada Las soluciones se mezclan y se agitan A esta solucioacuten se adicionan lentamente 1615 g de solucioacuten de silicato de sodio y se continuacutea con la agitacioacuten a temperamra ambiente durante una hora Luego la mezcla se coloca en un reactor de acero inoxidable con recubrimiento de tefloacuten a 150 degC durante 26 horas a presioacuten aulogenerada al terminar la reaccioacuten el reactor se enfriacutea y el producto se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 80 degC
La siacutentesis de la zeolita W usando como reactivo parcial las cenizas livianas de carboacuten y con la anterior relacioacuten molar se lleva a cabo disolviendo 668 g de
Tabla 1 Composicioacuten quimica de las cenizas volanshytes y del carboacuten
Las cenizas seleccionadas para la siacutentesis son aquellas que pasan a traveacutes de un tamiz nuacuteshymero 100 (0150 mm) a las cuales no se les aplica ninguacuten otro tratamiento quiacutemico o fiacutesishyco previo a la siacutentesis a excepshycioacuten de la separacioacuten de la mashyyor cantidad de partiacuteculas magneacuteticas que se adhieren al
Ceniza
SIacuteO2
AI2O3
FczOj
CaO
NaiO
K2O
SO3
Otros
()
443
236
81
81
39
IO
66
44
Carboacuten
Hidroacutegeno
Carbono
Azufre
Nitroacutegeno
Oxiacutegeno
Humedad
()
49
638
05
14
153
47
105
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hidroacutexido de potasio en un beaker plaacutestico con 900 g de agua destilada Se adicionan 109 g de cenizas livianas como fuente de aluminio y fuente parcial de silicio A la mezcla se le agregan lentamente 900 g de agua destilada y 1480 g de silicato de soshydio se homogeniza durante una hora a temperatura ambiente y luego se transfieshyre a un reactor de acero inoxidable con reshycubrimiento de tefloacuten La reaccioacuten se lleva a cabo a presioacuten autogenerada a 150 degC durante 26 horas El producto se enfriacutea se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 80 degC
Siacutentesis de zeolita F La zeolita F se sintetiza de acuerdo con la relacioacuten molar
60 Na20 160 K2O 10 AI2O3 20 SIacuteO2 180 H2O
Se disuelven 900 g de hidroacutexido de poshytasio y 168 g de hidroacutexido de sodio en 1500 g de agua destilada A esta solucioacuten se le adicionan 091 g de alumiacutenalo de soshydio y se agita hasta obtener una solucioacuten clara a la cual se le adicionan 222 g de soshylucioacuten de silicato de sodio La mezcla se agita durante una hora a temperamra amshybiente y luego se transfiere a un reactor de acero inoxidable con recubrimiento de teshyfloacuten La reaccioacuten se lleva a cabo a presioacuten autogenerada a 90 degC durante 15 horas El producto se enfria se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 70 degC durante 2 horas
Para la siacutentesis de muestras de zeolita F con participacioacuten parcial de las cenizas livianas de carboacuten como reactivo se dishysuelven 1800 g de hidroacutexido de potasio y 432 g de hidroacutexido de sodio en 2040 g de agua destilada y se adiciona una solucioacuten de 054 g de alumiacutenalo de sodio en 1200 g de agua destilada A esta solucioacuten se
adicionan 900 g de cenizas livianas de carboacuten como fuente de silicio y fuente parcial de aluminio Se agita durante una hora a temperatura ambiente y se transfieshyre a un reactor de acero inoxidable con reshycubrimiento de tefloacuten La reaccioacuten se lleshyva a cabo a presioacuten autogenerada a 90 degC durante 15 horas luego el reactor se enshyfria y el producto se filtra y lava con abunshydante agua destilada y se seca a 70 degC dushyrante dos horas
Intercambio de ion amonio El intershycambio de ion amonio se realiza por dos meacutetodos
1 Intercambio discontinuo Se colocan 01000 g de material zeolitico en 50 mi de una solucioacuten acuosa de 194 ppm en cloruro de amonio y se agita durante dos horas a temperamra ambiente Posteriormente la solucioacuten clara se decanta y se analiza la concentracioacuten del ion amonio no intercamshybiado El proceso se repite con una nueva solucioacuten de clomro de amonio hasta que la solucioacuten no cambie en su concentracioacuten inicial Las centimoles totales por kilograshymo de muestra se obtienen por la suma de las centimoles de cada intercambio
2 Intercambio en columna Se colocan 01000 g del material zeolitico en una coshylumna disentildeada para tal fin Se pasa por la muestra solucioacuten de cloruro de amonio de concentracioacuten conocida (20 ppm de NH4) sometida a presioacuten positiva con nishytroacutegeno para obtener velocidades de flujo constantes Se recogen muestras de voluacuteshymenes constantes de solucioacuten eluida y se analiza la concentracioacuten del ion amonio no intercambiado
La columna utilizada es similar a una bureta dividida en dos partes La parte inshyferior tiene una llave de tefloacuten para el
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contiol del flujo Por encima de la llave hay un estrangulamiento de 20 centiacutemeshytros de largo con un diaacutemetro interno de 40 miliacutemetros lo que permite colocar peshyquentildeas cantidades de muestra empacadas en eacutel La segunda parte es un bulbo de vishydrio con capacidad de 500 mL que se coshynecta a la primera por un mbo de tygon
Notacioacuten de muestras Con el fin de facilitar la descripcioacuten las muestras se identifican con la terminologiacutea dada en el siguiente ejemplo 60WC o 60WA que se interpreta como la muestra 60 para una zeolita W preparada a partir de las cenizas livianas de carboacuten C o con reactivos grashydo analiacutetico A
gonioacutemetro de 2degmin el termogravimeacuteshytrico en un equipo TA Instruments Hi-Res TGA 2950 en atmoacutesfera inerte de N2 seco y velocidad de calentamiento de 10degCmin el de microscopiacutea de barrido SEM previo recubrimiento con Au-Pd en un microscopio electroacutenico Hitachi S-510 el elemental cualitativo (arco y chispa) en un espectrofotoacutemetro de red plana PGS2 con un generador de impulso universal UBI 1 de la Cari Zeiss Jena el anaacutelisis de cationes Na y K por absorshycioacuten atoacutemica en un equipo Unicam serie 929 el anaacutelisis colorimeacutetrico de amonio en un Espectronic 20 Milton Roy Comshypany
Equipos El anaacutelisis de fases y de crisshytalinidad de las muestras se lleva a cabo en un difractoacutemetro de rayos X Rigaku serie ME-200 miniflex con radiacioacuten Ka del cobre (X = 15418 Aacute) y velocidad del
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Resultados de las siacutentesis Los resultashydos de las siacutentesis de materiales zeoliticos con reactivos grado analiacutetico y con cenizas
Tabla 2 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con reactivos grado analiacutetico
Muestra
38WA
39WA
44WA
69WA
40WA
43WA
50WA
49WA
61FA
67FA
64FA
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
50
50
30
10
10
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
Temp de cristaliz (degC)
170
170
170
150
150
150
150
150
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
5
12
24
26
60
26
48
26
15
14
21
Fase
( cristalin) |
Desconocida
W (100)
W(55)
W (100) 1
W (94) 1
W (82)
W(91)
W(36)
F(100) 1
F(85)
F (50)
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livianas del carboacuten utilizando el meacutetodo hidroteacutermico se resumen en las tablas 2 y 3 En las siacutentesis se hicieron variaciones de la relacioacuten SiAl temperatura de cristalizashycioacuten tiempo de cristalizacioacuten y tiempo de agitacioacuten con el fin de seleccionar los paraacuteshymetros adecuados para preparar muestras a partir de cenizas livianas de carboacuten
En la tabla 2 se observa que los paraacutemeshytros oacuteptimos de siacutentesis de las zeolitas W a partir de reactivos grado analiacutetico son temperamra de cristalizacioacuten de 150 degC dushyrante 26 horas de reaccioacuten y una relacioacuten SiAl de 145 en el gel de siacutentesis La dismishynucioacuten de esta relacioacuten no fue posible debishydo a que a valores menores de la relacioacuten no se presenta la fase cristalina deseada o se presenta con baja cristalinidad
Algunos resultados de la siacutentesis de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico
se presentan igualmente en la tabla 2 La temperamra de cristalizacioacuten y la relashycioacuten SiAl en el gel seleccionado para las siacutentesis del material son los reportados en el trabajo de Bosmans (7) El tiempo de cristalizacioacuten obtenido para la siacutentesis es 15 horas Para tiempos mayores se manshytiene la fase cristalina y no presenta camshybios hasta por 24 horas para tiempos meshynores se presenta la fase pero de menor cristalinidad
En la tabla 3 se presentan los resultados de siacutentesis para los materiales zeoliticos tipo F y W a partir de cenizas livianas de carboacuten En estas siacutentesis se tienen en cuenshyta los paraacutemetros utilizados para los mateshyriales zeoliticos a partir de reactivos grado analiacutetico y se realiza un estudio de tiempo de agitacioacuten de las cenizas y su efecto en una mejor dispersioacuten en el gel de siacutentesis y de productos obtenidos
Tabla 3 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con cenizas livianas del carboacuten
Muestra
55-1WC
55-2WC
58WC
65-1WC
73WC
70-2WC
70-3WC
52FC
56-2FC
66FC
57FC
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
145
145
10
IO
IO
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
IO
10
60
12
40
40
40
10
40
12
30
Temp de cristaliz (degC)
150
150
150
150
150
150
150
90
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
12
20
24
26
26
39
52
48
24
14
15
Fase ( cristalin)
Desconocida
Desconocida
W (55)
W (64)
W(82)
W (84)
W (82)
F (45)
F (50)
F (54)
F (50)
Se observa la presencia de cuarzo en las muestras
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Se observa que en la mayoriacutea de los ensayos para la preparacioacuten de la zeolita W se logra obtener la fase cristalina deseashyda concluyeacutendose que las cenizas livianas de carboacuten no afectan los paraacutemetros de siacutentesis previamente experimentados y que la matriz de la misma no afecta la exshytraccioacuten del Si ni del Al para la formacioacuten de dicha zeolita
Los productos de la siacutentesis de zeolita F a partir de las cenizas livianas aparecen con algo de cuarzo el cual estaacute originalshymente en las cenizas y debido a la baja temperamra y al tiempo corto de siacutentesis no alcanza a disolverse El rendimiento de los materiales preparados a partir de reacshytivos grado analiacutetico fue 200 y 260 para las zeolitas F y W respectivamente con base en el SIacuteO2 inicial Las zeolitas equivalentes preparadas usando cenizas volantes de carboacuten tienen un rendimiento maacuteximo del 21 para la zeolita W para la F no se establecioacute debido a que el material inerte presente en el material inicial no reacciona ni se disuelve como el cuarzo
Difraccioacuten de rayos X Los difracto-gramas revelan que los materiales sintetishyzados presentan una fase cristalina definishyda de acuerdo con patrones de referencia de la literamra (15) y corresponden a las zeolitas F y W Mediante la comparacioacuten de la intensidad de los picos del difracto-grama de la mejor muestra obtenida con reactivos grado analiacutetico se establecen los materiales de mayor cristalinidad y las mejores condiciones de siacutentesis
En la figura la se aprecia el anaacutelisis de difraccioacuten de rayos X para la muestra 61FA preparada con reactivos grado analiacutetico el cual presenta un patroacuten caracshyteriacutestico de zeolita F que concuerda muy
bien con el reportado por la hteramra( 15) Este difractograma se usa como referencia para establecer la calidad de las otras muestras
Los difractogramas de las figuras Ib y le (muestras 56FC y 57FC respectivashymente) son materiales preparados a partir de cenizas livianas de carboacuten En ellos se aprecian sentildeales caracteriacutesticas de la zeoshylita F y del cuarzo (marcadas con asterisshyco) material presente originalmente en las cenizas y que en las condiciones de siacutentesis no se disuelve totalmente Estas dos muestras no presentan diferencias apreciables ya que fueron preparadas en las mismas condiciones de siacutentesis pero en diferentes ocasiones lo que indica la reproducibilidad de la siacutentesis en presenshycia de cenizas livianas de carboacuten
En el difractograma de la figura Id de la muestra 57FC calcinada a 550 degC dushyrante dos horas se aprecia un desplazashymiento pequentildeo hacia valores de sentildeales 20 mayores Dicho aumento no es mayor de 1deg lo que permite concluir que la esshytmcmra cristalina se preserva y que este tipo de zeolitas es teacutermicamente estable
En la figura le se aprecia el patroacuten de difraccioacuten de rayos X para la muestra 69WA identificada como zeolita W por comparacioacuten con patrones de difraccioacuten de la literatura (15) La figura If es el dishyfractograma de la misma muestra pero inshytercambiada con el ion amonio Se aprecia un desplazamiento en las sentildeales con resshypecto a la no intercambiada (figura le) hacia valores de 26 mayores y la preservashycioacuten de la estrucmra cristalina
Los difractogramas de las figuras Ig y Ih corresponden a la muestra 73WC
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preparada usando cenizas livianas de carshyboacuten sin intercambiar e intercambiada con ion amonio respectivamente Se observa que estas muestras aunque involucran ceshynizas livianas de carboacuten producen una buena cristalinidad de la fase W y no preshysentan otras fases
Los difractogramas de las figuras le y If permiten establecer que las reflexiones con espaciamientos d = 444Aacute y 37 lAacute (29 = 200deg y 240deg) sufren modificaciones en su intensidad despueacutes del intercambio de material lo que podriacutea utilizarse en un trashybajo posterior con un difractoacutemetro de mayor precisioacuten y sensibilidad para moshynitorear el intercambio
Anaacutelisis elemental cualitativo por esshypectrometriacutea de arco y chispa En la tabla 4 se observan los resultados del anaacutelisis de cenizas livianas de carboacuten como se reciben en el laboratorio y de muestras de zeolita W preparadas con cenizas (73WC) y con
reactivos grado analiacutetico (69WA) Se obshyserva que el Zn y la Ag presentes en las cenizas no aparecen en la zeolita pero que persisten sentildeales de Fe y Mg que pueden tener influencia en sus propiedades depenshydiendo de la ubicacioacuten de estos cationes en la estmcmra
Es muy probable que el hierro (3-I-) se ubique en la red ya que sustimye al alumishynio que tambieacuten es trivalente y por lo tanshyto no afectariacutea con cambios notorios el inshytercambio El magnesio por su condicioacuten divalente prefiere sitios de intercambio donde hay dos aluminios cercanos en la estrucmra De nuevo el intercambio no se afectariacutea si el sitio es accesible a los iones problema que se desea separar
Los compuestos de hierro son abunshydantes en las cenizas y parte de ellos son separables magneacuteticamente
Anaacutelisis de los cationes Na y K Los resultados del anaacutelisis de los cationes Na
_JJLJUVWJ
10 20 30 40 50 2 6
Figura 1 Difraccioacuten de rayos X de muestras de zeolita F y W a 61FA b 56FC c 57FC d 57FC calcishy
nada e 69WA f 69WA intercambia i g 73WC h 73WC intercambiada Sentildeal del cuarzo
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
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hidroacutexido de potasio en un beaker plaacutestico con 900 g de agua destilada Se adicionan 109 g de cenizas livianas como fuente de aluminio y fuente parcial de silicio A la mezcla se le agregan lentamente 900 g de agua destilada y 1480 g de silicato de soshydio se homogeniza durante una hora a temperatura ambiente y luego se transfieshyre a un reactor de acero inoxidable con reshycubrimiento de tefloacuten La reaccioacuten se lleva a cabo a presioacuten autogenerada a 150 degC durante 26 horas El producto se enfriacutea se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 80 degC
Siacutentesis de zeolita F La zeolita F se sintetiza de acuerdo con la relacioacuten molar
60 Na20 160 K2O 10 AI2O3 20 SIacuteO2 180 H2O
Se disuelven 900 g de hidroacutexido de poshytasio y 168 g de hidroacutexido de sodio en 1500 g de agua destilada A esta solucioacuten se le adicionan 091 g de alumiacutenalo de soshydio y se agita hasta obtener una solucioacuten clara a la cual se le adicionan 222 g de soshylucioacuten de silicato de sodio La mezcla se agita durante una hora a temperamra amshybiente y luego se transfiere a un reactor de acero inoxidable con recubrimiento de teshyfloacuten La reaccioacuten se lleva a cabo a presioacuten autogenerada a 90 degC durante 15 horas El producto se enfria se filtra y lava con abundante agua destilada y se seca a 70 degC durante 2 horas
Para la siacutentesis de muestras de zeolita F con participacioacuten parcial de las cenizas livianas de carboacuten como reactivo se dishysuelven 1800 g de hidroacutexido de potasio y 432 g de hidroacutexido de sodio en 2040 g de agua destilada y se adiciona una solucioacuten de 054 g de alumiacutenalo de sodio en 1200 g de agua destilada A esta solucioacuten se
adicionan 900 g de cenizas livianas de carboacuten como fuente de silicio y fuente parcial de aluminio Se agita durante una hora a temperatura ambiente y se transfieshyre a un reactor de acero inoxidable con reshycubrimiento de tefloacuten La reaccioacuten se lleshyva a cabo a presioacuten autogenerada a 90 degC durante 15 horas luego el reactor se enshyfria y el producto se filtra y lava con abunshydante agua destilada y se seca a 70 degC dushyrante dos horas
Intercambio de ion amonio El intershycambio de ion amonio se realiza por dos meacutetodos
1 Intercambio discontinuo Se colocan 01000 g de material zeolitico en 50 mi de una solucioacuten acuosa de 194 ppm en cloruro de amonio y se agita durante dos horas a temperamra ambiente Posteriormente la solucioacuten clara se decanta y se analiza la concentracioacuten del ion amonio no intercamshybiado El proceso se repite con una nueva solucioacuten de clomro de amonio hasta que la solucioacuten no cambie en su concentracioacuten inicial Las centimoles totales por kilograshymo de muestra se obtienen por la suma de las centimoles de cada intercambio
2 Intercambio en columna Se colocan 01000 g del material zeolitico en una coshylumna disentildeada para tal fin Se pasa por la muestra solucioacuten de cloruro de amonio de concentracioacuten conocida (20 ppm de NH4) sometida a presioacuten positiva con nishytroacutegeno para obtener velocidades de flujo constantes Se recogen muestras de voluacuteshymenes constantes de solucioacuten eluida y se analiza la concentracioacuten del ion amonio no intercambiado
La columna utilizada es similar a una bureta dividida en dos partes La parte inshyferior tiene una llave de tefloacuten para el
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contiol del flujo Por encima de la llave hay un estrangulamiento de 20 centiacutemeshytros de largo con un diaacutemetro interno de 40 miliacutemetros lo que permite colocar peshyquentildeas cantidades de muestra empacadas en eacutel La segunda parte es un bulbo de vishydrio con capacidad de 500 mL que se coshynecta a la primera por un mbo de tygon
Notacioacuten de muestras Con el fin de facilitar la descripcioacuten las muestras se identifican con la terminologiacutea dada en el siguiente ejemplo 60WC o 60WA que se interpreta como la muestra 60 para una zeolita W preparada a partir de las cenizas livianas de carboacuten C o con reactivos grashydo analiacutetico A
gonioacutemetro de 2degmin el termogravimeacuteshytrico en un equipo TA Instruments Hi-Res TGA 2950 en atmoacutesfera inerte de N2 seco y velocidad de calentamiento de 10degCmin el de microscopiacutea de barrido SEM previo recubrimiento con Au-Pd en un microscopio electroacutenico Hitachi S-510 el elemental cualitativo (arco y chispa) en un espectrofotoacutemetro de red plana PGS2 con un generador de impulso universal UBI 1 de la Cari Zeiss Jena el anaacutelisis de cationes Na y K por absorshycioacuten atoacutemica en un equipo Unicam serie 929 el anaacutelisis colorimeacutetrico de amonio en un Espectronic 20 Milton Roy Comshypany
Equipos El anaacutelisis de fases y de crisshytalinidad de las muestras se lleva a cabo en un difractoacutemetro de rayos X Rigaku serie ME-200 miniflex con radiacioacuten Ka del cobre (X = 15418 Aacute) y velocidad del
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Resultados de las siacutentesis Los resultashydos de las siacutentesis de materiales zeoliticos con reactivos grado analiacutetico y con cenizas
Tabla 2 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con reactivos grado analiacutetico
Muestra
38WA
39WA
44WA
69WA
40WA
43WA
50WA
49WA
61FA
67FA
64FA
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
50
50
30
10
10
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
Temp de cristaliz (degC)
170
170
170
150
150
150
150
150
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
5
12
24
26
60
26
48
26
15
14
21
Fase
( cristalin) |
Desconocida
W (100)
W(55)
W (100) 1
W (94) 1
W (82)
W(91)
W(36)
F(100) 1
F(85)
F (50)
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livianas del carboacuten utilizando el meacutetodo hidroteacutermico se resumen en las tablas 2 y 3 En las siacutentesis se hicieron variaciones de la relacioacuten SiAl temperatura de cristalizashycioacuten tiempo de cristalizacioacuten y tiempo de agitacioacuten con el fin de seleccionar los paraacuteshymetros adecuados para preparar muestras a partir de cenizas livianas de carboacuten
En la tabla 2 se observa que los paraacutemeshytros oacuteptimos de siacutentesis de las zeolitas W a partir de reactivos grado analiacutetico son temperamra de cristalizacioacuten de 150 degC dushyrante 26 horas de reaccioacuten y una relacioacuten SiAl de 145 en el gel de siacutentesis La dismishynucioacuten de esta relacioacuten no fue posible debishydo a que a valores menores de la relacioacuten no se presenta la fase cristalina deseada o se presenta con baja cristalinidad
Algunos resultados de la siacutentesis de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico
se presentan igualmente en la tabla 2 La temperamra de cristalizacioacuten y la relashycioacuten SiAl en el gel seleccionado para las siacutentesis del material son los reportados en el trabajo de Bosmans (7) El tiempo de cristalizacioacuten obtenido para la siacutentesis es 15 horas Para tiempos mayores se manshytiene la fase cristalina y no presenta camshybios hasta por 24 horas para tiempos meshynores se presenta la fase pero de menor cristalinidad
En la tabla 3 se presentan los resultados de siacutentesis para los materiales zeoliticos tipo F y W a partir de cenizas livianas de carboacuten En estas siacutentesis se tienen en cuenshyta los paraacutemetros utilizados para los mateshyriales zeoliticos a partir de reactivos grado analiacutetico y se realiza un estudio de tiempo de agitacioacuten de las cenizas y su efecto en una mejor dispersioacuten en el gel de siacutentesis y de productos obtenidos
Tabla 3 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con cenizas livianas del carboacuten
Muestra
55-1WC
55-2WC
58WC
65-1WC
73WC
70-2WC
70-3WC
52FC
56-2FC
66FC
57FC
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
145
145
10
IO
IO
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
IO
10
60
12
40
40
40
10
40
12
30
Temp de cristaliz (degC)
150
150
150
150
150
150
150
90
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
12
20
24
26
26
39
52
48
24
14
15
Fase ( cristalin)
Desconocida
Desconocida
W (55)
W (64)
W(82)
W (84)
W (82)
F (45)
F (50)
F (54)
F (50)
Se observa la presencia de cuarzo en las muestras
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Se observa que en la mayoriacutea de los ensayos para la preparacioacuten de la zeolita W se logra obtener la fase cristalina deseashyda concluyeacutendose que las cenizas livianas de carboacuten no afectan los paraacutemetros de siacutentesis previamente experimentados y que la matriz de la misma no afecta la exshytraccioacuten del Si ni del Al para la formacioacuten de dicha zeolita
Los productos de la siacutentesis de zeolita F a partir de las cenizas livianas aparecen con algo de cuarzo el cual estaacute originalshymente en las cenizas y debido a la baja temperamra y al tiempo corto de siacutentesis no alcanza a disolverse El rendimiento de los materiales preparados a partir de reacshytivos grado analiacutetico fue 200 y 260 para las zeolitas F y W respectivamente con base en el SIacuteO2 inicial Las zeolitas equivalentes preparadas usando cenizas volantes de carboacuten tienen un rendimiento maacuteximo del 21 para la zeolita W para la F no se establecioacute debido a que el material inerte presente en el material inicial no reacciona ni se disuelve como el cuarzo
Difraccioacuten de rayos X Los difracto-gramas revelan que los materiales sintetishyzados presentan una fase cristalina definishyda de acuerdo con patrones de referencia de la literamra (15) y corresponden a las zeolitas F y W Mediante la comparacioacuten de la intensidad de los picos del difracto-grama de la mejor muestra obtenida con reactivos grado analiacutetico se establecen los materiales de mayor cristalinidad y las mejores condiciones de siacutentesis
En la figura la se aprecia el anaacutelisis de difraccioacuten de rayos X para la muestra 61FA preparada con reactivos grado analiacutetico el cual presenta un patroacuten caracshyteriacutestico de zeolita F que concuerda muy
bien con el reportado por la hteramra( 15) Este difractograma se usa como referencia para establecer la calidad de las otras muestras
Los difractogramas de las figuras Ib y le (muestras 56FC y 57FC respectivashymente) son materiales preparados a partir de cenizas livianas de carboacuten En ellos se aprecian sentildeales caracteriacutesticas de la zeoshylita F y del cuarzo (marcadas con asterisshyco) material presente originalmente en las cenizas y que en las condiciones de siacutentesis no se disuelve totalmente Estas dos muestras no presentan diferencias apreciables ya que fueron preparadas en las mismas condiciones de siacutentesis pero en diferentes ocasiones lo que indica la reproducibilidad de la siacutentesis en presenshycia de cenizas livianas de carboacuten
En el difractograma de la figura Id de la muestra 57FC calcinada a 550 degC dushyrante dos horas se aprecia un desplazashymiento pequentildeo hacia valores de sentildeales 20 mayores Dicho aumento no es mayor de 1deg lo que permite concluir que la esshytmcmra cristalina se preserva y que este tipo de zeolitas es teacutermicamente estable
En la figura le se aprecia el patroacuten de difraccioacuten de rayos X para la muestra 69WA identificada como zeolita W por comparacioacuten con patrones de difraccioacuten de la literatura (15) La figura If es el dishyfractograma de la misma muestra pero inshytercambiada con el ion amonio Se aprecia un desplazamiento en las sentildeales con resshypecto a la no intercambiada (figura le) hacia valores de 26 mayores y la preservashycioacuten de la estrucmra cristalina
Los difractogramas de las figuras Ig y Ih corresponden a la muestra 73WC
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preparada usando cenizas livianas de carshyboacuten sin intercambiar e intercambiada con ion amonio respectivamente Se observa que estas muestras aunque involucran ceshynizas livianas de carboacuten producen una buena cristalinidad de la fase W y no preshysentan otras fases
Los difractogramas de las figuras le y If permiten establecer que las reflexiones con espaciamientos d = 444Aacute y 37 lAacute (29 = 200deg y 240deg) sufren modificaciones en su intensidad despueacutes del intercambio de material lo que podriacutea utilizarse en un trashybajo posterior con un difractoacutemetro de mayor precisioacuten y sensibilidad para moshynitorear el intercambio
Anaacutelisis elemental cualitativo por esshypectrometriacutea de arco y chispa En la tabla 4 se observan los resultados del anaacutelisis de cenizas livianas de carboacuten como se reciben en el laboratorio y de muestras de zeolita W preparadas con cenizas (73WC) y con
reactivos grado analiacutetico (69WA) Se obshyserva que el Zn y la Ag presentes en las cenizas no aparecen en la zeolita pero que persisten sentildeales de Fe y Mg que pueden tener influencia en sus propiedades depenshydiendo de la ubicacioacuten de estos cationes en la estmcmra
Es muy probable que el hierro (3-I-) se ubique en la red ya que sustimye al alumishynio que tambieacuten es trivalente y por lo tanshyto no afectariacutea con cambios notorios el inshytercambio El magnesio por su condicioacuten divalente prefiere sitios de intercambio donde hay dos aluminios cercanos en la estrucmra De nuevo el intercambio no se afectariacutea si el sitio es accesible a los iones problema que se desea separar
Los compuestos de hierro son abunshydantes en las cenizas y parte de ellos son separables magneacuteticamente
Anaacutelisis de los cationes Na y K Los resultados del anaacutelisis de los cationes Na
_JJLJUVWJ
10 20 30 40 50 2 6
Figura 1 Difraccioacuten de rayos X de muestras de zeolita F y W a 61FA b 56FC c 57FC d 57FC calcishy
nada e 69WA f 69WA intercambia i g 73WC h 73WC intercambiada Sentildeal del cuarzo
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
111
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
112
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
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16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
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11
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contiol del flujo Por encima de la llave hay un estrangulamiento de 20 centiacutemeshytros de largo con un diaacutemetro interno de 40 miliacutemetros lo que permite colocar peshyquentildeas cantidades de muestra empacadas en eacutel La segunda parte es un bulbo de vishydrio con capacidad de 500 mL que se coshynecta a la primera por un mbo de tygon
Notacioacuten de muestras Con el fin de facilitar la descripcioacuten las muestras se identifican con la terminologiacutea dada en el siguiente ejemplo 60WC o 60WA que se interpreta como la muestra 60 para una zeolita W preparada a partir de las cenizas livianas de carboacuten C o con reactivos grashydo analiacutetico A
gonioacutemetro de 2degmin el termogravimeacuteshytrico en un equipo TA Instruments Hi-Res TGA 2950 en atmoacutesfera inerte de N2 seco y velocidad de calentamiento de 10degCmin el de microscopiacutea de barrido SEM previo recubrimiento con Au-Pd en un microscopio electroacutenico Hitachi S-510 el elemental cualitativo (arco y chispa) en un espectrofotoacutemetro de red plana PGS2 con un generador de impulso universal UBI 1 de la Cari Zeiss Jena el anaacutelisis de cationes Na y K por absorshycioacuten atoacutemica en un equipo Unicam serie 929 el anaacutelisis colorimeacutetrico de amonio en un Espectronic 20 Milton Roy Comshypany
Equipos El anaacutelisis de fases y de crisshytalinidad de las muestras se lleva a cabo en un difractoacutemetro de rayos X Rigaku serie ME-200 miniflex con radiacioacuten Ka del cobre (X = 15418 Aacute) y velocidad del
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Resultados de las siacutentesis Los resultashydos de las siacutentesis de materiales zeoliticos con reactivos grado analiacutetico y con cenizas
Tabla 2 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con reactivos grado analiacutetico
Muestra
38WA
39WA
44WA
69WA
40WA
43WA
50WA
49WA
61FA
67FA
64FA
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
50
50
30
10
10
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
Temp de cristaliz (degC)
170
170
170
150
150
150
150
150
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
5
12
24
26
60
26
48
26
15
14
21
Fase
( cristalin) |
Desconocida
W (100)
W(55)
W (100) 1
W (94) 1
W (82)
W(91)
W(36)
F(100) 1
F(85)
F (50)
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livianas del carboacuten utilizando el meacutetodo hidroteacutermico se resumen en las tablas 2 y 3 En las siacutentesis se hicieron variaciones de la relacioacuten SiAl temperatura de cristalizashycioacuten tiempo de cristalizacioacuten y tiempo de agitacioacuten con el fin de seleccionar los paraacuteshymetros adecuados para preparar muestras a partir de cenizas livianas de carboacuten
En la tabla 2 se observa que los paraacutemeshytros oacuteptimos de siacutentesis de las zeolitas W a partir de reactivos grado analiacutetico son temperamra de cristalizacioacuten de 150 degC dushyrante 26 horas de reaccioacuten y una relacioacuten SiAl de 145 en el gel de siacutentesis La dismishynucioacuten de esta relacioacuten no fue posible debishydo a que a valores menores de la relacioacuten no se presenta la fase cristalina deseada o se presenta con baja cristalinidad
Algunos resultados de la siacutentesis de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico
se presentan igualmente en la tabla 2 La temperamra de cristalizacioacuten y la relashycioacuten SiAl en el gel seleccionado para las siacutentesis del material son los reportados en el trabajo de Bosmans (7) El tiempo de cristalizacioacuten obtenido para la siacutentesis es 15 horas Para tiempos mayores se manshytiene la fase cristalina y no presenta camshybios hasta por 24 horas para tiempos meshynores se presenta la fase pero de menor cristalinidad
En la tabla 3 se presentan los resultados de siacutentesis para los materiales zeoliticos tipo F y W a partir de cenizas livianas de carboacuten En estas siacutentesis se tienen en cuenshyta los paraacutemetros utilizados para los mateshyriales zeoliticos a partir de reactivos grado analiacutetico y se realiza un estudio de tiempo de agitacioacuten de las cenizas y su efecto en una mejor dispersioacuten en el gel de siacutentesis y de productos obtenidos
Tabla 3 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con cenizas livianas del carboacuten
Muestra
55-1WC
55-2WC
58WC
65-1WC
73WC
70-2WC
70-3WC
52FC
56-2FC
66FC
57FC
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
145
145
10
IO
IO
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
IO
10
60
12
40
40
40
10
40
12
30
Temp de cristaliz (degC)
150
150
150
150
150
150
150
90
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
12
20
24
26
26
39
52
48
24
14
15
Fase ( cristalin)
Desconocida
Desconocida
W (55)
W (64)
W(82)
W (84)
W (82)
F (45)
F (50)
F (54)
F (50)
Se observa la presencia de cuarzo en las muestras
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Se observa que en la mayoriacutea de los ensayos para la preparacioacuten de la zeolita W se logra obtener la fase cristalina deseashyda concluyeacutendose que las cenizas livianas de carboacuten no afectan los paraacutemetros de siacutentesis previamente experimentados y que la matriz de la misma no afecta la exshytraccioacuten del Si ni del Al para la formacioacuten de dicha zeolita
Los productos de la siacutentesis de zeolita F a partir de las cenizas livianas aparecen con algo de cuarzo el cual estaacute originalshymente en las cenizas y debido a la baja temperamra y al tiempo corto de siacutentesis no alcanza a disolverse El rendimiento de los materiales preparados a partir de reacshytivos grado analiacutetico fue 200 y 260 para las zeolitas F y W respectivamente con base en el SIacuteO2 inicial Las zeolitas equivalentes preparadas usando cenizas volantes de carboacuten tienen un rendimiento maacuteximo del 21 para la zeolita W para la F no se establecioacute debido a que el material inerte presente en el material inicial no reacciona ni se disuelve como el cuarzo
Difraccioacuten de rayos X Los difracto-gramas revelan que los materiales sintetishyzados presentan una fase cristalina definishyda de acuerdo con patrones de referencia de la literamra (15) y corresponden a las zeolitas F y W Mediante la comparacioacuten de la intensidad de los picos del difracto-grama de la mejor muestra obtenida con reactivos grado analiacutetico se establecen los materiales de mayor cristalinidad y las mejores condiciones de siacutentesis
En la figura la se aprecia el anaacutelisis de difraccioacuten de rayos X para la muestra 61FA preparada con reactivos grado analiacutetico el cual presenta un patroacuten caracshyteriacutestico de zeolita F que concuerda muy
bien con el reportado por la hteramra( 15) Este difractograma se usa como referencia para establecer la calidad de las otras muestras
Los difractogramas de las figuras Ib y le (muestras 56FC y 57FC respectivashymente) son materiales preparados a partir de cenizas livianas de carboacuten En ellos se aprecian sentildeales caracteriacutesticas de la zeoshylita F y del cuarzo (marcadas con asterisshyco) material presente originalmente en las cenizas y que en las condiciones de siacutentesis no se disuelve totalmente Estas dos muestras no presentan diferencias apreciables ya que fueron preparadas en las mismas condiciones de siacutentesis pero en diferentes ocasiones lo que indica la reproducibilidad de la siacutentesis en presenshycia de cenizas livianas de carboacuten
En el difractograma de la figura Id de la muestra 57FC calcinada a 550 degC dushyrante dos horas se aprecia un desplazashymiento pequentildeo hacia valores de sentildeales 20 mayores Dicho aumento no es mayor de 1deg lo que permite concluir que la esshytmcmra cristalina se preserva y que este tipo de zeolitas es teacutermicamente estable
En la figura le se aprecia el patroacuten de difraccioacuten de rayos X para la muestra 69WA identificada como zeolita W por comparacioacuten con patrones de difraccioacuten de la literatura (15) La figura If es el dishyfractograma de la misma muestra pero inshytercambiada con el ion amonio Se aprecia un desplazamiento en las sentildeales con resshypecto a la no intercambiada (figura le) hacia valores de 26 mayores y la preservashycioacuten de la estrucmra cristalina
Los difractogramas de las figuras Ig y Ih corresponden a la muestra 73WC
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preparada usando cenizas livianas de carshyboacuten sin intercambiar e intercambiada con ion amonio respectivamente Se observa que estas muestras aunque involucran ceshynizas livianas de carboacuten producen una buena cristalinidad de la fase W y no preshysentan otras fases
Los difractogramas de las figuras le y If permiten establecer que las reflexiones con espaciamientos d = 444Aacute y 37 lAacute (29 = 200deg y 240deg) sufren modificaciones en su intensidad despueacutes del intercambio de material lo que podriacutea utilizarse en un trashybajo posterior con un difractoacutemetro de mayor precisioacuten y sensibilidad para moshynitorear el intercambio
Anaacutelisis elemental cualitativo por esshypectrometriacutea de arco y chispa En la tabla 4 se observan los resultados del anaacutelisis de cenizas livianas de carboacuten como se reciben en el laboratorio y de muestras de zeolita W preparadas con cenizas (73WC) y con
reactivos grado analiacutetico (69WA) Se obshyserva que el Zn y la Ag presentes en las cenizas no aparecen en la zeolita pero que persisten sentildeales de Fe y Mg que pueden tener influencia en sus propiedades depenshydiendo de la ubicacioacuten de estos cationes en la estmcmra
Es muy probable que el hierro (3-I-) se ubique en la red ya que sustimye al alumishynio que tambieacuten es trivalente y por lo tanshyto no afectariacutea con cambios notorios el inshytercambio El magnesio por su condicioacuten divalente prefiere sitios de intercambio donde hay dos aluminios cercanos en la estrucmra De nuevo el intercambio no se afectariacutea si el sitio es accesible a los iones problema que se desea separar
Los compuestos de hierro son abunshydantes en las cenizas y parte de ellos son separables magneacuteticamente
Anaacutelisis de los cationes Na y K Los resultados del anaacutelisis de los cationes Na
_JJLJUVWJ
10 20 30 40 50 2 6
Figura 1 Difraccioacuten de rayos X de muestras de zeolita F y W a 61FA b 56FC c 57FC d 57FC calcishy
nada e 69WA f 69WA intercambia i g 73WC h 73WC intercambiada Sentildeal del cuarzo
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
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16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
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livianas del carboacuten utilizando el meacutetodo hidroteacutermico se resumen en las tablas 2 y 3 En las siacutentesis se hicieron variaciones de la relacioacuten SiAl temperatura de cristalizashycioacuten tiempo de cristalizacioacuten y tiempo de agitacioacuten con el fin de seleccionar los paraacuteshymetros adecuados para preparar muestras a partir de cenizas livianas de carboacuten
En la tabla 2 se observa que los paraacutemeshytros oacuteptimos de siacutentesis de las zeolitas W a partir de reactivos grado analiacutetico son temperamra de cristalizacioacuten de 150 degC dushyrante 26 horas de reaccioacuten y una relacioacuten SiAl de 145 en el gel de siacutentesis La dismishynucioacuten de esta relacioacuten no fue posible debishydo a que a valores menores de la relacioacuten no se presenta la fase cristalina deseada o se presenta con baja cristalinidad
Algunos resultados de la siacutentesis de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico
se presentan igualmente en la tabla 2 La temperamra de cristalizacioacuten y la relashycioacuten SiAl en el gel seleccionado para las siacutentesis del material son los reportados en el trabajo de Bosmans (7) El tiempo de cristalizacioacuten obtenido para la siacutentesis es 15 horas Para tiempos mayores se manshytiene la fase cristalina y no presenta camshybios hasta por 24 horas para tiempos meshynores se presenta la fase pero de menor cristalinidad
En la tabla 3 se presentan los resultados de siacutentesis para los materiales zeoliticos tipo F y W a partir de cenizas livianas de carboacuten En estas siacutentesis se tienen en cuenshyta los paraacutemetros utilizados para los mateshyriales zeoliticos a partir de reactivos grado analiacutetico y se realiza un estudio de tiempo de agitacioacuten de las cenizas y su efecto en una mejor dispersioacuten en el gel de siacutentesis y de productos obtenidos
Tabla 3 Paraacutemetros de siacutentesis para las zeolitas W y F con cenizas livianas del carboacuten
Muestra
55-1WC
55-2WC
58WC
65-1WC
73WC
70-2WC
70-3WC
52FC
56-2FC
66FC
57FC
Relacioacuten SiAl en el gel
145
145
145
145
145
145
145
10
IO
IO
10
Tiempo de agitacioacuten (h)
IO
10
60
12
40
40
40
10
40
12
30
Temp de cristaliz (degC)
150
150
150
150
150
150
150
90
90
90
90
Tiempo de cristaliz (h)
12
20
24
26
26
39
52
48
24
14
15
Fase ( cristalin)
Desconocida
Desconocida
W (55)
W (64)
W(82)
W (84)
W (82)
F (45)
F (50)
F (54)
F (50)
Se observa la presencia de cuarzo en las muestras
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Se observa que en la mayoriacutea de los ensayos para la preparacioacuten de la zeolita W se logra obtener la fase cristalina deseashyda concluyeacutendose que las cenizas livianas de carboacuten no afectan los paraacutemetros de siacutentesis previamente experimentados y que la matriz de la misma no afecta la exshytraccioacuten del Si ni del Al para la formacioacuten de dicha zeolita
Los productos de la siacutentesis de zeolita F a partir de las cenizas livianas aparecen con algo de cuarzo el cual estaacute originalshymente en las cenizas y debido a la baja temperamra y al tiempo corto de siacutentesis no alcanza a disolverse El rendimiento de los materiales preparados a partir de reacshytivos grado analiacutetico fue 200 y 260 para las zeolitas F y W respectivamente con base en el SIacuteO2 inicial Las zeolitas equivalentes preparadas usando cenizas volantes de carboacuten tienen un rendimiento maacuteximo del 21 para la zeolita W para la F no se establecioacute debido a que el material inerte presente en el material inicial no reacciona ni se disuelve como el cuarzo
Difraccioacuten de rayos X Los difracto-gramas revelan que los materiales sintetishyzados presentan una fase cristalina definishyda de acuerdo con patrones de referencia de la literamra (15) y corresponden a las zeolitas F y W Mediante la comparacioacuten de la intensidad de los picos del difracto-grama de la mejor muestra obtenida con reactivos grado analiacutetico se establecen los materiales de mayor cristalinidad y las mejores condiciones de siacutentesis
En la figura la se aprecia el anaacutelisis de difraccioacuten de rayos X para la muestra 61FA preparada con reactivos grado analiacutetico el cual presenta un patroacuten caracshyteriacutestico de zeolita F que concuerda muy
bien con el reportado por la hteramra( 15) Este difractograma se usa como referencia para establecer la calidad de las otras muestras
Los difractogramas de las figuras Ib y le (muestras 56FC y 57FC respectivashymente) son materiales preparados a partir de cenizas livianas de carboacuten En ellos se aprecian sentildeales caracteriacutesticas de la zeoshylita F y del cuarzo (marcadas con asterisshyco) material presente originalmente en las cenizas y que en las condiciones de siacutentesis no se disuelve totalmente Estas dos muestras no presentan diferencias apreciables ya que fueron preparadas en las mismas condiciones de siacutentesis pero en diferentes ocasiones lo que indica la reproducibilidad de la siacutentesis en presenshycia de cenizas livianas de carboacuten
En el difractograma de la figura Id de la muestra 57FC calcinada a 550 degC dushyrante dos horas se aprecia un desplazashymiento pequentildeo hacia valores de sentildeales 20 mayores Dicho aumento no es mayor de 1deg lo que permite concluir que la esshytmcmra cristalina se preserva y que este tipo de zeolitas es teacutermicamente estable
En la figura le se aprecia el patroacuten de difraccioacuten de rayos X para la muestra 69WA identificada como zeolita W por comparacioacuten con patrones de difraccioacuten de la literatura (15) La figura If es el dishyfractograma de la misma muestra pero inshytercambiada con el ion amonio Se aprecia un desplazamiento en las sentildeales con resshypecto a la no intercambiada (figura le) hacia valores de 26 mayores y la preservashycioacuten de la estrucmra cristalina
Los difractogramas de las figuras Ig y Ih corresponden a la muestra 73WC
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preparada usando cenizas livianas de carshyboacuten sin intercambiar e intercambiada con ion amonio respectivamente Se observa que estas muestras aunque involucran ceshynizas livianas de carboacuten producen una buena cristalinidad de la fase W y no preshysentan otras fases
Los difractogramas de las figuras le y If permiten establecer que las reflexiones con espaciamientos d = 444Aacute y 37 lAacute (29 = 200deg y 240deg) sufren modificaciones en su intensidad despueacutes del intercambio de material lo que podriacutea utilizarse en un trashybajo posterior con un difractoacutemetro de mayor precisioacuten y sensibilidad para moshynitorear el intercambio
Anaacutelisis elemental cualitativo por esshypectrometriacutea de arco y chispa En la tabla 4 se observan los resultados del anaacutelisis de cenizas livianas de carboacuten como se reciben en el laboratorio y de muestras de zeolita W preparadas con cenizas (73WC) y con
reactivos grado analiacutetico (69WA) Se obshyserva que el Zn y la Ag presentes en las cenizas no aparecen en la zeolita pero que persisten sentildeales de Fe y Mg que pueden tener influencia en sus propiedades depenshydiendo de la ubicacioacuten de estos cationes en la estmcmra
Es muy probable que el hierro (3-I-) se ubique en la red ya que sustimye al alumishynio que tambieacuten es trivalente y por lo tanshyto no afectariacutea con cambios notorios el inshytercambio El magnesio por su condicioacuten divalente prefiere sitios de intercambio donde hay dos aluminios cercanos en la estrucmra De nuevo el intercambio no se afectariacutea si el sitio es accesible a los iones problema que se desea separar
Los compuestos de hierro son abunshydantes en las cenizas y parte de ellos son separables magneacuteticamente
Anaacutelisis de los cationes Na y K Los resultados del anaacutelisis de los cationes Na
_JJLJUVWJ
10 20 30 40 50 2 6
Figura 1 Difraccioacuten de rayos X de muestras de zeolita F y W a 61FA b 56FC c 57FC d 57FC calcishy
nada e 69WA f 69WA intercambia i g 73WC h 73WC intercambiada Sentildeal del cuarzo
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
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Se observa que en la mayoriacutea de los ensayos para la preparacioacuten de la zeolita W se logra obtener la fase cristalina deseashyda concluyeacutendose que las cenizas livianas de carboacuten no afectan los paraacutemetros de siacutentesis previamente experimentados y que la matriz de la misma no afecta la exshytraccioacuten del Si ni del Al para la formacioacuten de dicha zeolita
Los productos de la siacutentesis de zeolita F a partir de las cenizas livianas aparecen con algo de cuarzo el cual estaacute originalshymente en las cenizas y debido a la baja temperamra y al tiempo corto de siacutentesis no alcanza a disolverse El rendimiento de los materiales preparados a partir de reacshytivos grado analiacutetico fue 200 y 260 para las zeolitas F y W respectivamente con base en el SIacuteO2 inicial Las zeolitas equivalentes preparadas usando cenizas volantes de carboacuten tienen un rendimiento maacuteximo del 21 para la zeolita W para la F no se establecioacute debido a que el material inerte presente en el material inicial no reacciona ni se disuelve como el cuarzo
Difraccioacuten de rayos X Los difracto-gramas revelan que los materiales sintetishyzados presentan una fase cristalina definishyda de acuerdo con patrones de referencia de la literamra (15) y corresponden a las zeolitas F y W Mediante la comparacioacuten de la intensidad de los picos del difracto-grama de la mejor muestra obtenida con reactivos grado analiacutetico se establecen los materiales de mayor cristalinidad y las mejores condiciones de siacutentesis
En la figura la se aprecia el anaacutelisis de difraccioacuten de rayos X para la muestra 61FA preparada con reactivos grado analiacutetico el cual presenta un patroacuten caracshyteriacutestico de zeolita F que concuerda muy
bien con el reportado por la hteramra( 15) Este difractograma se usa como referencia para establecer la calidad de las otras muestras
Los difractogramas de las figuras Ib y le (muestras 56FC y 57FC respectivashymente) son materiales preparados a partir de cenizas livianas de carboacuten En ellos se aprecian sentildeales caracteriacutesticas de la zeoshylita F y del cuarzo (marcadas con asterisshyco) material presente originalmente en las cenizas y que en las condiciones de siacutentesis no se disuelve totalmente Estas dos muestras no presentan diferencias apreciables ya que fueron preparadas en las mismas condiciones de siacutentesis pero en diferentes ocasiones lo que indica la reproducibilidad de la siacutentesis en presenshycia de cenizas livianas de carboacuten
En el difractograma de la figura Id de la muestra 57FC calcinada a 550 degC dushyrante dos horas se aprecia un desplazashymiento pequentildeo hacia valores de sentildeales 20 mayores Dicho aumento no es mayor de 1deg lo que permite concluir que la esshytmcmra cristalina se preserva y que este tipo de zeolitas es teacutermicamente estable
En la figura le se aprecia el patroacuten de difraccioacuten de rayos X para la muestra 69WA identificada como zeolita W por comparacioacuten con patrones de difraccioacuten de la literatura (15) La figura If es el dishyfractograma de la misma muestra pero inshytercambiada con el ion amonio Se aprecia un desplazamiento en las sentildeales con resshypecto a la no intercambiada (figura le) hacia valores de 26 mayores y la preservashycioacuten de la estrucmra cristalina
Los difractogramas de las figuras Ig y Ih corresponden a la muestra 73WC
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preparada usando cenizas livianas de carshyboacuten sin intercambiar e intercambiada con ion amonio respectivamente Se observa que estas muestras aunque involucran ceshynizas livianas de carboacuten producen una buena cristalinidad de la fase W y no preshysentan otras fases
Los difractogramas de las figuras le y If permiten establecer que las reflexiones con espaciamientos d = 444Aacute y 37 lAacute (29 = 200deg y 240deg) sufren modificaciones en su intensidad despueacutes del intercambio de material lo que podriacutea utilizarse en un trashybajo posterior con un difractoacutemetro de mayor precisioacuten y sensibilidad para moshynitorear el intercambio
Anaacutelisis elemental cualitativo por esshypectrometriacutea de arco y chispa En la tabla 4 se observan los resultados del anaacutelisis de cenizas livianas de carboacuten como se reciben en el laboratorio y de muestras de zeolita W preparadas con cenizas (73WC) y con
reactivos grado analiacutetico (69WA) Se obshyserva que el Zn y la Ag presentes en las cenizas no aparecen en la zeolita pero que persisten sentildeales de Fe y Mg que pueden tener influencia en sus propiedades depenshydiendo de la ubicacioacuten de estos cationes en la estmcmra
Es muy probable que el hierro (3-I-) se ubique en la red ya que sustimye al alumishynio que tambieacuten es trivalente y por lo tanshyto no afectariacutea con cambios notorios el inshytercambio El magnesio por su condicioacuten divalente prefiere sitios de intercambio donde hay dos aluminios cercanos en la estrucmra De nuevo el intercambio no se afectariacutea si el sitio es accesible a los iones problema que se desea separar
Los compuestos de hierro son abunshydantes en las cenizas y parte de ellos son separables magneacuteticamente
Anaacutelisis de los cationes Na y K Los resultados del anaacutelisis de los cationes Na
_JJLJUVWJ
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Figura 1 Difraccioacuten de rayos X de muestras de zeolita F y W a 61FA b 56FC c 57FC d 57FC calcishy
nada e 69WA f 69WA intercambia i g 73WC h 73WC intercambiada Sentildeal del cuarzo
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
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11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
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15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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preparada usando cenizas livianas de carshyboacuten sin intercambiar e intercambiada con ion amonio respectivamente Se observa que estas muestras aunque involucran ceshynizas livianas de carboacuten producen una buena cristalinidad de la fase W y no preshysentan otras fases
Los difractogramas de las figuras le y If permiten establecer que las reflexiones con espaciamientos d = 444Aacute y 37 lAacute (29 = 200deg y 240deg) sufren modificaciones en su intensidad despueacutes del intercambio de material lo que podriacutea utilizarse en un trashybajo posterior con un difractoacutemetro de mayor precisioacuten y sensibilidad para moshynitorear el intercambio
Anaacutelisis elemental cualitativo por esshypectrometriacutea de arco y chispa En la tabla 4 se observan los resultados del anaacutelisis de cenizas livianas de carboacuten como se reciben en el laboratorio y de muestras de zeolita W preparadas con cenizas (73WC) y con
reactivos grado analiacutetico (69WA) Se obshyserva que el Zn y la Ag presentes en las cenizas no aparecen en la zeolita pero que persisten sentildeales de Fe y Mg que pueden tener influencia en sus propiedades depenshydiendo de la ubicacioacuten de estos cationes en la estmcmra
Es muy probable que el hierro (3-I-) se ubique en la red ya que sustimye al alumishynio que tambieacuten es trivalente y por lo tanshyto no afectariacutea con cambios notorios el inshytercambio El magnesio por su condicioacuten divalente prefiere sitios de intercambio donde hay dos aluminios cercanos en la estrucmra De nuevo el intercambio no se afectariacutea si el sitio es accesible a los iones problema que se desea separar
Los compuestos de hierro son abunshydantes en las cenizas y parte de ellos son separables magneacuteticamente
Anaacutelisis de los cationes Na y K Los resultados del anaacutelisis de los cationes Na
_JJLJUVWJ
10 20 30 40 50 2 6
Figura 1 Difraccioacuten de rayos X de muestras de zeolita F y W a 61FA b 56FC c 57FC d 57FC calcishy
nada e 69WA f 69WA intercambia i g 73WC h 73WC intercambiada Sentildeal del cuarzo
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
1 Lin S H and Wu C L (1996) Ammonia removal from aqueous soshylution by ion exchange Ind Eng Chem Res 35 553
2 Semmens M J (1980) Ammonium removal by clinoptilolite using biolo-gically assisted Regeneration En
LVC Rees (Eds) Proccedings of theFifth International Conference on Zeolites Naples Italy p 795
3 Clearfield A (1988) Role of ion exshychange in solid state chemistry Chem Rev m 125
4 Belhekar A A Chandwadkar A J and Hegde S G (1995) Physicoche-mical Characterization of synthetic merlinoite (Linde W-like) zeolite containing Na K and Sr cations Zeolites 15 535
5 Besoain E (1985) Mineralogiacutea de arcillas de suelos Instimto Interame-ricano de Cooperacioacuten para la Agri-culmra Costa Rica
6 DixonJBandWeedSB(1989) Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Wisshyconsin
7 Bosmans H J Tambuyzer E Paen-huys J Ylen L and Vancluysen J (1973) Zeolite formation in the sistem K20-Na20-Al203-Si02-H20 p 179-188 En W M Meier and J B Uytter-hoeven (Eds) Molecular Sieves WM Meier and JB Uytterhoeven Eds Advances In Chemistry series 121 American Chemical Society Washington DC
8 Koon J H and Kaufman W J (1975) Ammonia removal from mushynicipal wastewaters by ion exchange Journal WPCF 47 448
9 Sherman J D and Ross R J (1980) Selective Ammonium Ion Exchange with Linde F and W Zeolite Molecushylar Sieves En L V C Rees (Eds) Proccedings ofthe Fifth Internatio-
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nal Conference on Zeolites Naples Italy p 823
10 Bieniok A Bomholdt K Brendel U and Baur W H (1996) Syntheshysis and crystal strucmre of zeolite W resembling the mineral merlinoite J Mater Chem 2 271
11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
httptriggerchumistacuk808lzeoli-tesweb (19011998)
14 Shemian J D (1984) Ion exchange separations with molecular sieve zeoshylites En F Ramoa Ribeiro Alirio E Rodrigues L Deane Rollmann and Claude Naccache (Eds) Zeolites Science and Technology p 583-623 Martinus Nijhoff Publishers Boston
15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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Tabla 4 Anaacutelisis cualitativo por espectrometriacutea de arco chispa
Muestras
Cenizas livianas de carboacuten
Cenizas calcinadas a 550 degC
69WA
73WC
Elementos presentes
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Fe Mg Ag Al Zn Si C Na K
Si Al Na K
Si Al Na K Fe Mg
y K por absorcioacuten atoacutemica de las muesshytras maacutes representativas se presentan en la tabla 5 En ellas se observa que el contenishydo de K es mayor en todas las muestras preparadas a partir de reactivos grado anashyliacutetico comparadas con las preparadas con cenizas livianas caso contrario se presenshyta para el Na Ademaacutes para las muestras de zeolita W se observa un mayor contenishydo de cationes (centimoles totales de Na y K) comparado con el de la zeolita F
El contenido de sodio es muy similar para todas las muestras aunque un poco mayor en las muestras preparadas a partir de las cenizas
El resultado de moles totales de Na y K es uacutetil porque pemiite tener una refeshyrencia del maacuteximo de intercambio de ion amonio que se puede lograr para cada tipo de muestra
Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) El anaacutelisis se hizo a muestras de zeolita W que presentaban las mejores cashyracteriacutesticas cristalinas de acuerdo con los difractogramas de rayos X En la figura 2 se presentan las micrografiacuteas de la muesshytra 62WA Se observa un gran nuacutemero de partiacuteculas de haacutebito cristalino columnar constimidas por un sinnuacutemero de cristales prismaacuteticos que alcanzan longimdes hasta de 1 Ofim Otra forma de aglomeramiento es la unioacuten de cristales prismaacuteticos estranshygulados en el centro Los mismos alcanshyzan longimdes hasta de 20|im En la mi-crografiacutea se observa que no existe otro tipo de material cristalino
La figura 3 presenta las micrografiacuteas de la muestra 60WC preparada usando parshycialmente cenizas livianas de carboacuten se obshyserva que es cristalina y homogeacutenea Los cristales son prismaacuteticos con longimdes
Tabla 5 Anaacutelisis elemental de muestras representativas
Muestra
67FA
57FC
69WA
73WC
Cenizas
K
34
21
60
29
12
Na
052
068
049
033
092
cmol de Kpor kg muestra
87
54
150
74
31
cmol de Na por kg muestra
23
30
21
14
40
cmol total de Na y K por kg muestra
110
84
171
88
71
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Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
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5 Besoain E (1985) Mineralogiacutea de arcillas de suelos Instimto Interame-ricano de Cooperacioacuten para la Agri-culmra Costa Rica
6 DixonJBandWeedSB(1989) Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Wisshyconsin
7 Bosmans H J Tambuyzer E Paen-huys J Ylen L and Vancluysen J (1973) Zeolite formation in the sistem K20-Na20-Al203-Si02-H20 p 179-188 En W M Meier and J B Uytter-hoeven (Eds) Molecular Sieves WM Meier and JB Uytterhoeven Eds Advances In Chemistry series 121 American Chemical Society Washington DC
8 Koon J H and Kaufman W J (1975) Ammonia removal from mushynicipal wastewaters by ion exchange Journal WPCF 47 448
9 Sherman J D and Ross R J (1980) Selective Ammonium Ion Exchange with Linde F and W Zeolite Molecushylar Sieves En L V C Rees (Eds) Proccedings ofthe Fifth Internatio-
117
REVISTA COLOMBIANA DE QUIacuteMICA VOLUMEN 31 No 2 DE 2002
nal Conference on Zeolites Naples Italy p 823
10 Bieniok A Bomholdt K Brendel U and Baur W H (1996) Syntheshysis and crystal strucmre of zeolite W resembling the mineral merlinoite J Mater Chem 2 271
11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
httptriggerchumistacuk808lzeoli-tesweb (19011998)
14 Shemian J D (1984) Ion exchange separations with molecular sieve zeoshylites En F Ramoa Ribeiro Alirio E Rodrigues L Deane Rollmann and Claude Naccache (Eds) Zeolites Science and Technology p 583-623 Martinus Nijhoff Publishers Boston
15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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REVISTA COLOMBIANA DE QUIacuteMICA VOLUMEN 31 No 2 DE 2002
Figura 2 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 62WA
superiores a los 20nm en algunos casos y anchura mayor de 5|im Tambieacuten se observa que la mayoriacutea de los cristales se encuentran fracmrados en las puntas debido quizaacute a la maceracioacuten de las muestras antes de ser anashylizadas Se notan ademaacutes sobre los cristales pequentildeas partiacuteculas que parecen generarse a partir de las impurezas presentes en las cenishyzas y del material que no se disuelve Estas muestras permiten insinuar un poco mejor la forma tetragonal de la pseudosimetria no observada en las muestras preparadas con reactivos grado analiacutetico
Anaacutelisis termogravimeacutetrico (TGA)
En la tabla 6 se condensa la informacioacuten obtenida de los distintos termogramas Los
porcentajes de amonio desorbidos se corroshyboraron por el meacutetodo descrito por Moreno (16) Para la muestra 69WA se aprecian tres regiones de peacuterdida de peso la primera comprendida entre 25 y 150 degC corresponshyde a agua superficial en un 2 la segunda entre 150 y 300 degC corresponde a agua zeo-litica ubicada en los canales y poros la cual alcanza 85 la tercera comprendida entre 300 y 800 degC no muestra peacuterdida adicional de peso
El termograma de la muestra 69WA intercambiada con el ion amonio presenta peacuterdida de peso en la regioacuten comprendida entre 300 y 500 degC que lo diferencia del de la muestra no intercambiada en la salishyda de NH3 en un 35 Finalmente no se
Figura 3 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (SEM) para la muestra 60WC
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
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16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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aprecia peacuterdida de peso en la regioacuten comshyprendida entre 500 y 800 degC
El termograma de la muestra 73WC preparada con cenizas muestra igualmenshyte tres regiones la primera entre 25 y 200 degC que corresponde a la peacuterdida de agua superficial y agua zeoliacutetica esta regioacuten es muy similar a la presentada en el termo-grama de la muestra 69WA La segunda regioacuten entre 200 y 300 degC se asocia a des-hidroxilacioacuten de la muestra la uacuteltima reshygioacuten se asigna a peacuterdida de oacutexidos de azushyfre y material carbonaacuteceo presentes originalmente en las cenizas
El termograma de la muestra 73WC intercambiada con ion amonio exhibe peacuterdidas de peso similares a las observashydas en la muestra 69WA intercambiada Para estas dos muestras se observa que el rango de temperamra para la salida del amoniaco intercambiado de 73WC es mayor lo cual indica mayor dispersioacuten de sitios de interaccioacuten de esta zeolita con el ion amonio posiblemente debido a que en su composicioacuten ademaacutes de los eleshymentos mayoritarios de Al y Si puede haber Fe y Mg
Intercambio de ion amonio
Intercambio continuo en columna El intercambio se realiza con una solucioacuten de 20 ppm de cloruro de amonio diez veshyces mayor que la concentracioacuten maacutexima permitida para la vida acuaacutetica (2)
La capacidad de intercambio de las zeolitas empleadas se calculoacute por medio de la sumatoria del amonio intercambiado en cada porcioacuten de volumen de solucioacuten analizada Se obtiene un resultado similar si se halla el aacuterea bajo la curva de intershycambio previamente suavizada
La figura 4 corresponde a la curva de intercambio de la muestra 69WA a un flujo de 30 mLmin Se observan puntos de maacuteximo y de miacutenimo intercambio debishydo a que el proceso es largo y se suspendiacutea esporaacutedicamente Los puntos de miacutenimo corresponden a posiciones de falso agotashymiento (cuando no hay flujo) los de maacuteshyxima a un equilibrio de intercambio sin flujo El perfil de la curva muestra un desshycenso en la capacidad de intercambio de la muestra a medida que crece el volumen eluido En la tabla 7 se presentan los datos de amonio intercambiado en centimoles por kilogramo de muestra hidratada
Tabla 6 Anaacutelisis termogravimeacutetrico de muestras de zeolita W con reactivos grado analiacuteshytico y con cenizas
Muestra
69WA 69WA 73WC 73WC
Porcentaje de peacuterdida en peso por rangos de temperatura
2 5 - 1 5 0 deg C 250 900 260 700
150-300 degC 800 308 565 483
300 - 800 degC
412 150 650
Porcentaje amonio desorbido (emoles) por TGA
350(2500)
566 (4000)
Porcentaje de perdida de peso
total
1050 1620 975 1833
^Muestras intercambiadas con ion amonio
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
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Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
1 Lin S H and Wu C L (1996) Ammonia removal from aqueous soshylution by ion exchange Ind Eng Chem Res 35 553
2 Semmens M J (1980) Ammonium removal by clinoptilolite using biolo-gically assisted Regeneration En
LVC Rees (Eds) Proccedings of theFifth International Conference on Zeolites Naples Italy p 795
3 Clearfield A (1988) Role of ion exshychange in solid state chemistry Chem Rev m 125
4 Belhekar A A Chandwadkar A J and Hegde S G (1995) Physicoche-mical Characterization of synthetic merlinoite (Linde W-like) zeolite containing Na K and Sr cations Zeolites 15 535
5 Besoain E (1985) Mineralogiacutea de arcillas de suelos Instimto Interame-ricano de Cooperacioacuten para la Agri-culmra Costa Rica
6 DixonJBandWeedSB(1989) Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Wisshyconsin
7 Bosmans H J Tambuyzer E Paen-huys J Ylen L and Vancluysen J (1973) Zeolite formation in the sistem K20-Na20-Al203-Si02-H20 p 179-188 En W M Meier and J B Uytter-hoeven (Eds) Molecular Sieves WM Meier and JB Uytterhoeven Eds Advances In Chemistry series 121 American Chemical Society Washington DC
8 Koon J H and Kaufman W J (1975) Ammonia removal from mushynicipal wastewaters by ion exchange Journal WPCF 47 448
9 Sherman J D and Ross R J (1980) Selective Ammonium Ion Exchange with Linde F and W Zeolite Molecushylar Sieves En L V C Rees (Eds) Proccedings ofthe Fifth Internatio-
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REVISTA COLOMBIANA DE QUIacuteMICA VOLUMEN 31 No 2 DE 2002
nal Conference on Zeolites Naples Italy p 823
10 Bieniok A Bomholdt K Brendel U and Baur W H (1996) Syntheshysis and crystal strucmre of zeolite W resembling the mineral merlinoite J Mater Chem 2 271
11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
httptriggerchumistacuk808lzeoli-tesweb (19011998)
14 Shemian J D (1984) Ion exchange separations with molecular sieve zeoshylites En F Ramoa Ribeiro Alirio E Rodrigues L Deane Rollmann and Claude Naccache (Eds) Zeolites Science and Technology p 583-623 Martinus Nijhoff Publishers Boston
15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Solucioacuten de intercambio (20 ppm mL x lOC-3)
Figura 4 Curva de iniercambio de amonio de la muestra 69WA con Hujo de la solucioacuten de 30 mLmin
De los resultados de la cantidad de amonio intercambiado y de la cantidad de sodio y potasio en la zeolita (muestra 69WA) se deduce que el intercambio es 1 a 1 con un 100 de eficiencia El valor de la cantidad de amonio obtenido por TGA es un poco mayor debido a que el proceso no es discriminatorio hacia el amonio adicionalmente se presenta peacutershydida de agua por deshidroxilacioacuten en este rango de temperamra
La muestra 73WC preparada con ceshynizas livianas de carboacuten fue intercambiashyda en las mismas condiciones de la muesshytra anterior Se presenta un intercambio de 250 cmolkg
Se observa un intercambio superior al esperado de acuerdo con las cantidades de sodio y potasio presentes en ella lo cual se explica por la presencia de diferenshytes cationes Mg y Fe principalmente provenientes de las cenizas livianas de carboacuten que pudieran estar en los sitios de intercambio y que no se contabilizan adishycionalmente al sodio y potasio presentes La sustimcioacuten isomoacuterfica de Fe por Al
tambieacuten es posible pero esto no afectariacutea el intercambio debido a que se tendriacutea el mismo balance de cargas En la tabla 7 se observa el resultado del intercambio para esta muestra con la condicioacuten de flujo maacutes raacutepido
De los resultados para el intercambio de la muestra 73WC a un flujo de 50 mLmin en comparacioacuten con muestras inshytercambiadas a flujos menores se observa que se alcanza un punto de equilibrio falshyso en menos tiempo hecho que se puede explicar debido al poco tiempo de contacshyto entre el material zeolitico y el ion amoshynio de la solucioacuten que no logran llegar hasta los sitios de intercambio maacutes intershynos A partir del equilibrio superficial la muestra empieza a perder parte del ion amonio intercambiado
En la Tabla 7 aparece la muestra 73WC cuando se intercambia en presenshycia de los cationes Ca y Mg^ y de los aniones NOr y NO2 Estas especies son de comuacuten ocurrencia en las aguas duras y pueden interferir la selectividad del mateshyrial En dicho esmdio se aprecia un mayor
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
30
30
30
50
30
cmol de amoniokg de muestra
14
199
243
134
153
Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
1 Lin S H and Wu C L (1996) Ammonia removal from aqueous soshylution by ion exchange Ind Eng Chem Res 35 553
2 Semmens M J (1980) Ammonium removal by clinoptilolite using biolo-gically assisted Regeneration En
LVC Rees (Eds) Proccedings of theFifth International Conference on Zeolites Naples Italy p 795
3 Clearfield A (1988) Role of ion exshychange in solid state chemistry Chem Rev m 125
4 Belhekar A A Chandwadkar A J and Hegde S G (1995) Physicoche-mical Characterization of synthetic merlinoite (Linde W-like) zeolite containing Na K and Sr cations Zeolites 15 535
5 Besoain E (1985) Mineralogiacutea de arcillas de suelos Instimto Interame-ricano de Cooperacioacuten para la Agri-culmra Costa Rica
6 DixonJBandWeedSB(1989) Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Wisshyconsin
7 Bosmans H J Tambuyzer E Paen-huys J Ylen L and Vancluysen J (1973) Zeolite formation in the sistem K20-Na20-Al203-Si02-H20 p 179-188 En W M Meier and J B Uytter-hoeven (Eds) Molecular Sieves WM Meier and JB Uytterhoeven Eds Advances In Chemistry series 121 American Chemical Society Washington DC
8 Koon J H and Kaufman W J (1975) Ammonia removal from mushynicipal wastewaters by ion exchange Journal WPCF 47 448
9 Sherman J D and Ross R J (1980) Selective Ammonium Ion Exchange with Linde F and W Zeolite Molecushylar Sieves En L V C Rees (Eds) Proccedings ofthe Fifth Internatio-
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nal Conference on Zeolites Naples Italy p 823
10 Bieniok A Bomholdt K Brendel U and Baur W H (1996) Syntheshysis and crystal strucmre of zeolite W resembling the mineral merlinoite J Mater Chem 2 271
11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
httptriggerchumistacuk808lzeoli-tesweb (19011998)
14 Shemian J D (1984) Ion exchange separations with molecular sieve zeoshylites En F Ramoa Ribeiro Alirio E Rodrigues L Deane Rollmann and Claude Naccache (Eds) Zeolites Science and Technology p 583-623 Martinus Nijhoff Publishers Boston
15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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intercambio inicial del ion amonio presenshyte en la solucioacuten con los cationes de la muestra alcanzando el punto de equilibrio mucho maacutes raacutepido que el logrado en la muestra sin la presencia de cationes y aniones Como se observa en la tabla 7 disminuye la capacidad por el amonio inshytercambiado pero existe selectividad del material por el mismo
No fue posible someter al proceso de inshytercambio en columna las muestras de zeoshylita F a partir de reactivos grado analiacutetico y de cenizas debido a la namraleza del mateshyrial constimido por partiacuteculas muy finas que obstmian el flujo de la solucioacuten de inshytercambio Como alternativa se preparashyron pastillas compactadas a presioacuten pero eacutestas se dispersaban raacutepidamente y de nueshyvo taponaban el paso de la solucioacuten Estas muestras se sometieron al proceso de intershycambio solo por el meacutetodo discontinuo
Intercambio discontinuo Los resulshytados para el intercambio discontinuo de
amonio con muestras de zeolitas W y F se presentan en la tabla 8 Se aprecia que el nuacutemero de centimoles del ion amonio inshytercambiado es superior al esperado teoacuterishycamente de acuerdo con los contenidos de sodio y potasio de las muestras Dos feshynoacutemenos parecen contribuir a la anterior observacioacuten la volatilizacioacuten del NH3 que es un error positivo (17) ya que se examina el NH4 remanente en la solucioacuten y el que falta por diferencia se toma como intercambiado y una mayor retencioacuten de NH4 en poros y superficie la cual puede ser mayor en este meacutetodo Se observa que las muestras preparadas con cenizas liviashynas de carboacuten por este meacutetodo presentan mayor intercambio debido a los factores anteriores y a las observaciones anotadas del meacutetodo de columna
Para las muestras con una estructura zeolita tipo F 67FA y 57FC solo se logroacute el intercambio por este meacutetodo ya que el material en polvo y en pastillas presenta dificultades de manejo Los
Tabla 7 Resultados del intercambio en columna
Muestra
57FC
69WA
73WC
73WC
73WC
Tipo de solucioacuten
N H
NH4
N H
N H
NH4^ + Mg^^ + Ca^ + N02- + N03
Flujo
(mLmin)
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30
50
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cmol de amoniokg de muestra
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134
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Solucioacuten de amonio de concentracioacuten 20 ppm (b)-NOj =25ppm NGj =0-10ppm Mg^ + Ca =025 mmolL
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
1 Lin S H and Wu C L (1996) Ammonia removal from aqueous soshylution by ion exchange Ind Eng Chem Res 35 553
2 Semmens M J (1980) Ammonium removal by clinoptilolite using biolo-gically assisted Regeneration En
LVC Rees (Eds) Proccedings of theFifth International Conference on Zeolites Naples Italy p 795
3 Clearfield A (1988) Role of ion exshychange in solid state chemistry Chem Rev m 125
4 Belhekar A A Chandwadkar A J and Hegde S G (1995) Physicoche-mical Characterization of synthetic merlinoite (Linde W-like) zeolite containing Na K and Sr cations Zeolites 15 535
5 Besoain E (1985) Mineralogiacutea de arcillas de suelos Instimto Interame-ricano de Cooperacioacuten para la Agri-culmra Costa Rica
6 DixonJBandWeedSB(1989) Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Wisshyconsin
7 Bosmans H J Tambuyzer E Paen-huys J Ylen L and Vancluysen J (1973) Zeolite formation in the sistem K20-Na20-Al203-Si02-H20 p 179-188 En W M Meier and J B Uytter-hoeven (Eds) Molecular Sieves WM Meier and JB Uytterhoeven Eds Advances In Chemistry series 121 American Chemical Society Washington DC
8 Koon J H and Kaufman W J (1975) Ammonia removal from mushynicipal wastewaters by ion exchange Journal WPCF 47 448
9 Sherman J D and Ross R J (1980) Selective Ammonium Ion Exchange with Linde F and W Zeolite Molecushylar Sieves En L V C Rees (Eds) Proccedings ofthe Fifth Internatio-
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nal Conference on Zeolites Naples Italy p 823
10 Bieniok A Bomholdt K Brendel U and Baur W H (1996) Syntheshysis and crystal strucmre of zeolite W resembling the mineral merlinoite J Mater Chem 2 271
11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
httptriggerchumistacuk808lzeoli-tesweb (19011998)
14 Shemian J D (1984) Ion exchange separations with molecular sieve zeoshylites En F Ramoa Ribeiro Alirio E Rodrigues L Deane Rollmann and Claude Naccache (Eds) Zeolites Science and Technology p 583-623 Martinus Nijhoff Publishers Boston
15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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Tabla 8 Resultados generales de intercambio de ion amonio
Muestra
69WA
73WC
67FA
57FC
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo discontinuo
248
251
123
102
cmol de amoniokg de muestra meacutetodo continuo
199
243
resultados de este intercambio se presenshytan en la tabla 8
Los resultados obtenidos del intercamshybio de ion amonio por los dos meacutetodos muestran que las zeolitas W presentan mayor capacidad de intercambio con resshypecto al material zeolitico preparado con estrucmra similar a la zeolita F como se puede apreciar en la tabla 8
Como se ha expresado antes el amoshynio intercambiado corresponde muy bien con la cantidad de Na y K determinado por el anaacutelisis elemental realizado a cada zeolita Sin embargo estos valores se aleshyjan de intercambio maacuteximo que puede obtenerse de acuerdo con su composishycioacuten Por la foacutermula estructural de la zeoshylita W (12) se calcula que el potasio inshytercambiable es 396 cmolkg de material hidratado y el correspondiente a la zeolishyta F es 543 lo cual da una eficiencia de inshytercambio de 67 y 23i respectivamente para las zeolitas sintetizadas con reactishyvos grado analiacutetico de acuerdo con los valores de la Tabla 8
No es faacutecil comprender esta discrepanshycia puesto que los difractogramas corresshypondientes indican la obtencioacuten de comshypuestos puros y de buena cristalinidad Podriacutea darse una explicacioacuten si se
considera que hay una alteracioacuten en la relashycioacuten molar SiAl Por ejemplo si la relashycioacuten cambia de 181 (dada por la foacutermula) a 4 el intercambio pasariacutea de 396 a 250 cmolkg valor experiacutementalmente obtenishydo Para la zeolita F dicha relacioacuten tendriacutea que cambiar de 1 a 11 para que el intercamshybio pase de 543 a 128 cmoleskg
La anterior observacioacuten no es tan criacutetishyca si se compara con valores de la literatushyra (9) que reportan para ambas zeolitas un intercambio de ion amonio de 200 a 300 cmoleskg cuando el ion amonio se encuentra en bajas concentraciones (meshynos de 02 en fraccioacuten molar) en la solushycioacuten problema
CONCLUSIONES
Es posible sintetizar las zeolitas W y F utilizando parcialmente la fuente de silishycio y aluminio presentes en cenizas liviashynas de carboacuten sin ninguacuten tratamiento adishycional y sin variaciones significativas del meacutetodo empleado con reactivos grado analiacutetico
Las muestras de zeolita W preparadas a partir de cenizas livianas de carboacuten y con reactivos grado analiacutetico presentan mashyyor capacidad de intercambio por el ion
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amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
1 Lin S H and Wu C L (1996) Ammonia removal from aqueous soshylution by ion exchange Ind Eng Chem Res 35 553
2 Semmens M J (1980) Ammonium removal by clinoptilolite using biolo-gically assisted Regeneration En
LVC Rees (Eds) Proccedings of theFifth International Conference on Zeolites Naples Italy p 795
3 Clearfield A (1988) Role of ion exshychange in solid state chemistry Chem Rev m 125
4 Belhekar A A Chandwadkar A J and Hegde S G (1995) Physicoche-mical Characterization of synthetic merlinoite (Linde W-like) zeolite containing Na K and Sr cations Zeolites 15 535
5 Besoain E (1985) Mineralogiacutea de arcillas de suelos Instimto Interame-ricano de Cooperacioacuten para la Agri-culmra Costa Rica
6 DixonJBandWeedSB(1989) Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Wisshyconsin
7 Bosmans H J Tambuyzer E Paen-huys J Ylen L and Vancluysen J (1973) Zeolite formation in the sistem K20-Na20-Al203-Si02-H20 p 179-188 En W M Meier and J B Uytter-hoeven (Eds) Molecular Sieves WM Meier and JB Uytterhoeven Eds Advances In Chemistry series 121 American Chemical Society Washington DC
8 Koon J H and Kaufman W J (1975) Ammonia removal from mushynicipal wastewaters by ion exchange Journal WPCF 47 448
9 Sherman J D and Ross R J (1980) Selective Ammonium Ion Exchange with Linde F and W Zeolite Molecushylar Sieves En L V C Rees (Eds) Proccedings ofthe Fifth Internatio-
117
REVISTA COLOMBIANA DE QUIacuteMICA VOLUMEN 31 No 2 DE 2002
nal Conference on Zeolites Naples Italy p 823
10 Bieniok A Bomholdt K Brendel U and Baur W H (1996) Syntheshysis and crystal strucmre of zeolite W resembling the mineral merlinoite J Mater Chem 2 271
11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
httptriggerchumistacuk808lzeoli-tesweb (19011998)
14 Shemian J D (1984) Ion exchange separations with molecular sieve zeoshylites En F Ramoa Ribeiro Alirio E Rodrigues L Deane Rollmann and Claude Naccache (Eds) Zeolites Science and Technology p 583-623 Martinus Nijhoff Publishers Boston
15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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REVISTA COLOMBIANA DE QUIacuteMICA VOLUMEN 31 No 2 DE 2002
amonio que la presentada por la zeolita F preparada con los mismos materiales
La presencia de cationes y aniones en la solucioacuten de intercambio disminuye la capacidad de intercambio del ion amonio por la zeolita W preparada a partir de ceshynizas livianas de carboacuten pero conserva buena parte de su selectividad
La presencia de cationes (impurezas del carboacuten Mg y Fe principalmente) en la siacutentesis de las zeolitas preparadas con cenizas volantes de carboacuten produce una disminucioacuten de la relacioacuten SiAl al considerarse como Si(Al-HMg^+Fe) y por tanto incrementa el intercambio de ion amonio
De la observacioacuten en las curvas del meacuteshytodo continuo de intercambio se puede establecer que el intercambio del ion amoshynio depende del flujo a flujos relativashymente altos de solucioacuten disminuye la efishyciencia del intercambio
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecemos la colaborashycioacuten de la Universidad de Antioquia que con su aporte econoacutemico permitioacute la realishyzacioacuten de este proyecto (CODI No IN45CE)
BIBLIOGRAFIacuteA
1 Lin S H and Wu C L (1996) Ammonia removal from aqueous soshylution by ion exchange Ind Eng Chem Res 35 553
2 Semmens M J (1980) Ammonium removal by clinoptilolite using biolo-gically assisted Regeneration En
LVC Rees (Eds) Proccedings of theFifth International Conference on Zeolites Naples Italy p 795
3 Clearfield A (1988) Role of ion exshychange in solid state chemistry Chem Rev m 125
4 Belhekar A A Chandwadkar A J and Hegde S G (1995) Physicoche-mical Characterization of synthetic merlinoite (Linde W-like) zeolite containing Na K and Sr cations Zeolites 15 535
5 Besoain E (1985) Mineralogiacutea de arcillas de suelos Instimto Interame-ricano de Cooperacioacuten para la Agri-culmra Costa Rica
6 DixonJBandWeedSB(1989) Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Wisshyconsin
7 Bosmans H J Tambuyzer E Paen-huys J Ylen L and Vancluysen J (1973) Zeolite formation in the sistem K20-Na20-Al203-Si02-H20 p 179-188 En W M Meier and J B Uytter-hoeven (Eds) Molecular Sieves WM Meier and JB Uytterhoeven Eds Advances In Chemistry series 121 American Chemical Society Washington DC
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9 Sherman J D and Ross R J (1980) Selective Ammonium Ion Exchange with Linde F and W Zeolite Molecushylar Sieves En L V C Rees (Eds) Proccedings ofthe Fifth Internatio-
117
REVISTA COLOMBIANA DE QUIacuteMICA VOLUMEN 31 No 2 DE 2002
nal Conference on Zeolites Naples Italy p 823
10 Bieniok A Bomholdt K Brendel U and Baur W H (1996) Syntheshysis and crystal strucmre of zeolite W resembling the mineral merlinoite J Mater Chem 2 271
11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
httptriggerchumistacuk808lzeoli-tesweb (19011998)
14 Shemian J D (1984) Ion exchange separations with molecular sieve zeoshylites En F Ramoa Ribeiro Alirio E Rodrigues L Deane Rollmann and Claude Naccache (Eds) Zeolites Science and Technology p 583-623 Martinus Nijhoff Publishers Boston
15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
11
REVISTA COLOMBIANA DE QUIacuteMICA VOLUMEN 31 No 2 DE 2002
nal Conference on Zeolites Naples Italy p 823
10 Bieniok A Bomholdt K Brendel U and Baur W H (1996) Syntheshysis and crystal strucmre of zeolite W resembling the mineral merlinoite J Mater Chem 2 271
11 Pereyron A Contribution a la Syntheacutese de zeolites aux basses temshyperatures Eacutetude des diagrammes M2O Na20 AI2O SIacuteO2 H2O Tesis doctoral Le Centre Universitaire du Haut-Rhin et LUniversiteacute Louis Passhyteur de Strasbourg 1971
12 BreckDW (1984) Zeolite Molecushylar Sieves Strucmre Chemistry and Use Robert E Krieger Publishing Company Malabar Florida
13 httpwwwiza-scethzchIZA-SC Atlasdata (20051998)
httptriggerchumistacuk808lzeoli-tesweb (19011998)
14 Shemian J D (1984) Ion exchange separations with molecular sieve zeoshylites En F Ramoa Ribeiro Alirio E Rodrigues L Deane Rollmann and Claude Naccache (Eds) Zeolites Science and Technology p 583-623 Martinus Nijhoff Publishers Boston
15 Meier W M Olson D H and Beeriocher Ch (1996) Adas of zeoshylites strucmre types (special issue) Zeolites 17
16 Moreno A Soacutelidos aacutecidos siacutentesis y caracterizacioacuten de oacutexidos sulfatados de hierro Tesis de maestriacutea Univershysidad de Antioquia 1997
17 Yang L (1977) Investigation of ni-trification by co-immobilized nitrif-ying bacteria and zeolite in a batch wise fluidized bed Wat Sci Tech 35 169
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