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Escalado, modelación y simulación de la adsorción de sulfametoxazol en columna de lecho fijo utilizando bagazo de caña de azúcar y residuos de mazorca de maíz

Abstract:

El uso de residuos agrícolas como adsorbentes naturales constituye una alternativa potencial para la remoción de contaminantes emergentes presentes en aguas residuales. El sulfametoxazol (SMX) es un antibiótico bacteriostático y uno de los contaminantes emergentes que ha sido detectado en altas concentraciones en aguas residuales domésticas y hospitalarias. El objetivo de este trabajo fue modelar, simular y escalar una columna de adsorción para la remoción de sulfametoxazol utilizando bagazo de caña de azúcar (BCA) y residuos de mazorca de maíz (RMM). Los experimentos a escala laboratorio dieron como resultado que BCA tiene una capacidad de adsorción superior a RMM. La máxima capacidad de adsorción obtenida para BCA y RMM fue de 0.235 y 0.146 mg/g, respectivamente. Además, se observó que a alturas de lecho pequeñas y flujos de alimentación altos, los tiempos de ruptura y saturación son menores con ambos biosorbentes. La columna de adsorción fue escalada a planta piloto bajo los criterios de similitud geométrica, cinemática y dinámica. Las curvas de ruptura experimentales obtenidos a nivel de laboratorio y piloto fueron ajustados a ocho modelos matemáticos, siendo el modelo Wang el que mejor reprodujo los resultados experimentales con los dos biosorbentes. La forma de las curvas de ruptura a escala piloto y laboratorio fueron similares en toda la trayectoria. Sin embargo, la capacidad de adsorción disminuyo, y el porcentaje de remoción de SMX incremento con el cambio de escala, de 0.22 a 0.19 mg/g y 59.94 a 69.24%, respectivamente. Adicionalmente, se planteó un modelo dinámico para predecir las curvas de ruptura de la adsorción del sulfametoxazol con BCA y RMM utilizando Aspen Adsorption® y Comsol Multiphysics®. El modelo generó una buena correlación entre las curvas pbkp_redichas y experimentales para la adsorción con BCA, pero fue inexacto con RMM, lo que da la posibilidad de un equilibrio local de SMX con este adsorbente. La inclusión de la Ley de Darcy en Comsol proporciono una curva de ruptura más próxima a los datos experimentales que la obtenida en Aspen Adsorption. Finalmente, una estimación económica desarrollada en el software SuperPro Designer expuso que es necesario USD $ 215,123 para que el proceso sea implementado a escala industrial con un costo operacional anual de USB $ 53,000 para una capacidad de 150 L/h. Los resultados de esta investigación sirven de soporte para posteriores estudios de remoción de antibióticos y otros contaminantes emergentes a escala piloto utilizando adsorbentes naturales.