Evaluación de las propiedades coagulantes y floculantes de hidrolizados de quitosano para la remoción de turbiedad en agua

Abstract

La capacidad coagulante y floculante del quitosano de diferentes pesos moleculares fue determinada en la remoción de turbiedad en aguas superficiales y residuales. El uso de este material reviste importancia porque el camarón corresponde a una de las especies de mayor captura en Costa Rica, lo que provoca grandes desechos de cáscara de camarón que no es aprovechado para obtener productos de valor agregado. Por lo tanto, se realizó la síntesis de quitosano a partir de la quitina; biopolímero derivado de la cáscara del camarón. A partir de la desacetilación parcial de la quitina se obtiene el quitosano, un biopolímero compuesto por unidades β-1,4-D-glucosamina y N-acetil-D-glucosamina, distribuidos al azar y unidos por un enlace glicosídico. El quitosano fue caracterizado mediante la obtención del peso molecular por viscosimetría y el grado de desacetilación por medio de la titulación potenciométrica. El quitosano obtenido, de 250 kDa y con un grado de desacetilación del 79,5%, fue sometido a tres reacciones de hidrólisis química, utilizando ácido clorhídrico de tres concentraciones diferentes, de 0,5 mol/L; 0,75 mol/L y 1,0 mol/L, en donde se obtuvieron hidrolizados de 169 kDa, 88 kDa y 55 kDa respectivamente. Posteriormente, se realizaron pruebas de jarras variando la turbiedad en agua destilada con diferentes dosis de caolín en un rango de pH de 5,0 a 7,5 y a tres diferentes turbiedades de 10 NTU, 50 NTU y 100 NTU. Se ensayó la capacidad coagulante y floculante para el quitosano obtenido a partir de la quitina, los tres hidrolizados y un quitosano comercial. Las muestras de agua tratadas a 50 NTU, presentaron el mayor porcentaje de remoción de turbiedad en todos los cinco quitosanos a un pH de 5,0 con un valor promedio de 86%; conforme se aumentó el pH hasta 7,5 el porcentaje de remoción disminuyó hasta un 78%. Los quitosanos de peso molecular de 250 kDa y 169 kDa presentaron un porcentaje de remoción promedio de turbiedad mayor al 90% en un rango de pH desde 5,0 hasta 7,5 a una turbiedad de 50 NTU. Posteriormente, se realizó una prueba de jarras para remover una muestra de agua superficial del río Pirro de turbiedad 15,5 NTU. Mediante una dosis optima 1,0 mg/L del quitosano de peso molecular medio de 250 kDa, se logró una remoción de turbiedad de un 76,6% a un pH de 7,09 obteniéndose un valor por debajo de la norma nacional según el decreto ejecutivo número 38924-S para el Reglamento para la Calidad de Agua Potable. Los quitosanos ensayados, en un amplio rango de pesos moleculares, presentaron propiedades coagulantes y floculantes en agua sintética en un rango de turbiedades de 10 NTU, 50 NTU y 100 NTU y en pH de 5,0 a 7,5 obteniendo mejores resultados a pH de 5,0 y 5,5 debido a la interacción entre el grupo amino protonado del quitosano y el coloide. Además, su capacidad de coagulación y floculación fue demostrada en una muestra real de agua de río.

The coagulant and flocculant capacity of chitosan of different molecular weights was determined in the removal of turbidity in surface and wastewater. The use of this material is important because shrimp corresponds to one of the species with the highest catch in Costa Rica, which causes large shrimp shell waste that is not used to obtain value-added products. Therefore, the synthesis of chitosan from chitin was performed; biopolymer derived from shrimp shell. From the partial deacetylation of chitin, chitosan is obtained, a biopolymer composed of β-1,4-D-glucosamine and N-acetyl-D-glucosamine units, randomly distributed and linked by a glycosidic bond. Chitosan was characterized by obtaining the molecular weight by viscometry and the degree of deacetylation by means of potentiometric titration. The chitosan obtained, of 250 kDa and with a degree of deacetylation of 79.5%, was subjected to three chemical hydrolysis reactions, using hydrochloric acid of three different concentrations, of 0.5 mol/L; 0.75 mol/L and 1.0 mol/L, where hydrolyzates of 169 kDa, 88 kDa and 55 kDa respectively were obtained. Subsequently, jar tests were carried out varying the turbidity in distilled water with different doses of kaolin in a pH range of 5.0 to 7.5 and at three different turbidities of 10 NTU, 50 NTU and 100 NTU. The coagulant and flocculant capacity of the chitosan obtained from chitin, the three hydrolyzates and a commercial chitosan was tested. The water samples treated at 50 NTU, presented the highest percentage of turbidity removal in all the five chitosans at a pH of 5.0 with an average value of 86%; as the pH was increased up to 7.5 the percentage of removal decreased up to 78%. Chitosans with a molecular weight of 250 kDa and 169 kDa presented an average turbidity removal percentage greater than 90% in a pH range from 5.0 to 7.5 at a turbidity of 50 NTU. Subsequently, a jar test was carried out to remove a surface water sample from the Pirro River with a turbidity of 15.5 NTU. Using an optimal dose of 1.0 mg/L of chitosan with an average molecular weight of 250 kDa, a turbidity removal of 76.6% was achieved at a pH of 7.09, obtaining a value below the national standard according to the executive decree number 38924-S for the Regulation for the Quality of Drinking Water. The chitosans tested, in a wide range of molecular weights, presented coagulant and flocculant properties in synthetic water in a turbidity range of 10 NTU, 50 NTU and 100 NTU and at pH 5.0 to 7.5, obtaining better results at pH of 5.0 and 5.5 due to the interaction between the protonated amino group of the chitosan and the colloid. In addition, its coagulation and flocculation capacity was demonstrated in a real sample of river water.