Estudo de Membranas de Nanocelulose para Purificação de Água

•

Outros

Los Mejores Apuntes

26/10/2022

¡Este material tiene más páginas!

Entonces, ¿te gustó este material?

Ayude a animar a otros estudiantes a mejorar el contenido

¿Te gustó este material? ¡Compartir! 🧡

Ingeniería Civil

106.431 Materiales compartidos

Descarga la aplicación para disfrutar aún más

Lea materiales sin conexión, sin usar Internet. Además de muchas otras características!

Vista previa del material en texto

Av. Hidalgo 935, Colonia Centro, C.P. 44100, Guadalajara, Jalisco, México
bibliotecadigital@redudg.udg.mx - Tel. 31 34 22 77 ext. 11959
UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
COORDINACIÓN GENERAL ACADÉMICA
Coordinación de Bibliotecas
Biblioteca Digital

La presente tesis es publicada a texto completo en virtud de que el autor
ha dado su autorización por escrito para la incorporación del documento a la
Biblioteca Digital y al Repositorio Institucional de la Universidad de Guadalajara,
esto sin sufrir menoscabo sobre sus derechos como autor de la obra y los usos
que posteriormente quiera darle a la misma.

UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
CENTRO UNIVERSITARIO DE TONALÁ

DIVISIÓN DE INGENIERÍAS E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA
DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DEL AGUA Y DE LA ENERGÍA
COORDINACIÓN DE INVESTIGACIÓN

ESTUDIO SOBRE MEMBRANAS DE NANOCELULOSA OBTENIDAS DEL
BAGAZO DE AGAVE TEQUILANA WEBER EN PROCESOS DE PURIFICACIÓN
DE AGUA

T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA
INGENIERIA DEL AGUA Y LA ENERGÍA
P R E S E N T A
JAVIER ABRAHAM HERNÁNDEZ DÍAZ
DIRECTORA DE TESIS
Dra. Belkis Coromoto Sulbarán Rangel
CO-DIRECTORES DE TESIS
Dr. Víctor Hugo Romero Arellano
Dr. Guillermo Toriz González
A S E S O R:
Dr. Marcos Alfredo Escalante Álvarez
==========================================
Tonalá, Jalisco, Enero de 2018

INDICE

AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... 9
DEDICATORIA ................................................................................................................... 11
RESUMEN ........................................................................................................................... 12
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 13
1. OBJETIVOS E HIPÓTESIS ............................................................................................ 17
1.1 Objetivo general .......................................................................................................... 17
1.2 Objetivos específicos .................................................................................................. 17
1.3 Hipótesis ..................................................................................................................... 17
2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 18
2.1 Contaminación del agua .............................................................................................. 18
2.1.1 Metales pesados en agua ...................................................................................... 19
2.1.2 Microorganismos contaminantes de agua ............................................................ 21
2.1.3 Contaminantes emergentes ................................................................................... 21
2.2 Adsorción de contaminantes en aguas ........................................................................ 23
2.3 Filtración con membranas ........................................................................................... 23
2.3.1 Tipos de membranas............................................................................................. 25
2.3.2 Membranas poliméricas ....................................................................................... 28
2.3.3 Nanofiltración....................................................................................................... 30
2.4 Celulosa ...................................................................................................................... 32
2.4.1 Cristalinidad de la celulosa .................................................................................. 33
2.4.2 Propiedad higroscópica de la celulosa ................................................................. 37
2.4.3 Modificación química de la celulosa .................................................................... 37
2.4.4 Rutas de funcionalización de la celulosa.............................................................. 40
2.4.5 Acetilación de la celulosa ..................................................................................... 41
2.4.6 Carboximetilación de la celulosa ......................................................................... 41
2.4.7 Oxidación TEMPO de la celulosa ........................................................................ 42
2.5 Fuente de celulosa a partir de bagazo de agave .......................................................... 43
2.6 Nanocelulosa ............................................................................................................... 43
2.6.1 Nanocristales de celulosa ..................................................................................... 44
2.6.2 Nanofibras de celulosa ......................................................................................... 45

3. METODOLOGÍA ............................................................................................................. 51
3.2 Pulpeo y blanqueo para obtener la celulosa del bagazo de agave .............................. 53
3.2.1 Pretratamiento organosolv.................................................................................... 54
3.2.2 Blanqueo de la pulpa de bagazo ........................................................................... 55
3.2.3 Extracción de hemicelulosa .................................................................................. 55
3.2.4 Extracción de celulosa .......................................................................................... 56
3.3 Modificación química por acetilación de las fibras de celulosa ................................. 56
3.4 Obtención de nanofibras de celulosa del bagazo de agave por métodos mecánicos de
microfluidización .............................................................................................................. 60
3.5 Métodos de caracterización de la celulosa y nanocelulosa de bagazo de agave ......... 61
3.5.1 Espectrometría Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en
ingles de Fourier transform infrared spectroscopy) ...................................................... 61
3.5.2 Microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en ingles de Scanning
Electron Microscope) .................................................................................................... 62
3.5.3 Microscopio de fuerza atómica (AFM, de sus siglas en inglés Atomic Force
Microscope) ................................................................................................................... 62
3.5.4 Difracción de rayos X (XRD, de sus siglas en inglés X-ray Diffraction) ............ 62
3.5.5 Potencial Z............................................................................................................ 63
3.6 Formación de membranas nanoestructuradas de nanofibras de celulosa del bagazo de
agave ................................................................................................................................. 64
3.6.1 Evaluación de las membranas nanoestructuradas de nanocelulosa de bagazo de
agave.............................................................................................................................. 653.6.2 Desempeño de las membranas en procesos de adsorción de contaminantes ... 65
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................................................... 68
4.1 Caracterización química de fibras de bagazo agave tequilana.................................... 68
4.2 Obtención de celulosa de bagazo de agave ................................................................. 69
4.3 Modificación química por acetilación de las fibras de celulosa ................................. 71
4.4 Caracterización de la celulosa y nanocelulosa de bagazo de agave............................ 73
4.5 Evaluación de las membranas nanoestructuradas de bagazo de agave ....................... 79
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 85
REFERENCIAS ................................................................................................................... 86
ACCIONES DE DIFUSIÓN ................................................................................................ 92

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Tipos de contaminantes de origen biológicos ....................................................... 21
Figura 2. Estructura química de la celulosa .......................................................................... 32
Figura 3. Estructura jerárquica de la madera (Moon et al., 2011). ....................................... 32
Figura 4. Puentes de hidrógeno intramoleculares e intermoleculares en dos moléculas
adyacentes de celulosa (Fengel & Wegener, 2003). ............................................................. 34
Figura 5. Interconversión de los polimorfos de la celulosa (O'Sullivan, 1997). .................. 35
Figura 6. Enlaces de hidrógeno para la estructura de celulosa Iα (a) y Iβ (b). ●Átomos de
Carbono. ○Átomos de Oxígeno. ● Átomos de Hidrógeno. La línea punteada amarilla
representa la unión de puente de hidrógeno entre cadenas (Festucci-Buselli, Otoni, & Joshi,
2007). .................................................................................................................................... 36
Figura 7. Estructura de anhidroglucosa. ............................................................................... 38
Figura 8. Modificaciones químicas comunes en celulosa (Moon et al., 2011). ................... 38
Figura 9. Rutas de funcionalización de la celulosa (Moon et al., 2011). ............................. 40
Figura 10. Proceso de esterificación Fischer. ....................................................................... 41
Figura 11. Reacción de carboximetilación. .......................................................................... 42
Figura 12. Reacción TEMPO oxidación............................................................................... 42
Figura 13. Esquema de (a)Unidades de repetición individuales de celulosa, (b)Microfibrilla
de celulosa, (c) Nanocristales de celulosa (Moon et al., 2011). ........................................... 45
Figura 14 Deconstrucción de fibras de celulosa (Salas et al., 2014). ................................... 46
Figura 15. Funcionamiento general de un homogeneizador................................................. 47
Figura 16. Esquema de Funcionamiento de equipo Microfluidics. ...................................... 48
Figura 17. Molino de discos ................................................................................................. 49
Figura 18. Diagrama para la obtención de celulosa y membranas de nanocelulosa. ........... 51
Figura 19. Bagazo de agave tequilana wever ....................................................................... 52
Figura 20. Equipo de extracción utilizado para realizar determinar extractivos en el bagazo
de agave ................................................................................................................................ 53
Figura 21. Digestor de alta presión ....................................................................................... 54
Figura 22. Proceso de extracción de hemicelulosa ............................................................... 55
Figura 23. Filtrado y lavado de la celulosa de bagazo de agave .......................................... 56
Figura 24. Imágenes del procedimiento de modificación química de la celulosa: ............... 57
Figura 25. Visualización de los datos de titración con equipo Metrohm. ............................ 58
Figura 26. Imagen del equipo Microfluidizador M-110P .................................................... 60
Figura 27. Suspensiones después de microfluidización ....................................................... 61
Figura 28. Membrana de celulosa microfluidizada. ............................................................. 64
Figura 29. Estructura química del contaminante ciproflaxacina .......................................... 66
Figura 30. Representación del sistema usado para realizar pruebas de adsorción del
contaminante. ........................................................................................................................ 66
Figura 31. Morfología de fibras de celulosa A) 50 μm, B) 20 µm, C) y D) 10 μm. ............ 70
Figura 32. Espectros de RMN de la celulosa de agave modificada por acetilación. ............ 72

Figura 33. Espectros FTIR de Bagazo de Agave (superior) y Celulosa obtenida por método
organosolv (inferior). ............................................................................................................ 74
Figura 34. Espectros FTIR de Celulosa obtenida por el método organosolv (superior) y
acetilación de la celulosa (inferior). ..................................................................................... 75
Figura 35. Imágenes AFM de A) Muestra A (5µm), B) Muestra C (3µm), C) Muestra D
(3µm) y D) Muestra B (3µm). .............................................................................................. 76
Figura 36. Fotografías AFM fibra aislada de Muestra C. 1µm (Izquierda) y 0.5µm (Derecha).
.............................................................................................................................................. 77
Figura 37. Espectros XRD de la celulosa y las muestras de nanofibras de celulosa acetilada.
.............................................................................................................................................. 78
Figura 38. Fotografía de las membranas de nanofibras de celulosa de bagazo de agave. A)
Escala macroscópica y B) Imágenes SEM a escala microscópica 5µm ............................... 79
Figura 39. Imágenes SEM de vista superior de las Membranas. A) Muestra A, B) Muestra B,
C) Muestra C y D) Muestra D. ............................................................................................. 80
Figura 40. Distribución de tamaño de los poros encontrados en las membranas de nanofibras
de celulosa de bagazo de agave ............................................................................................ 81
Figura 41. Mediciones de ángulo de contacto. A) Muestra A, B) Muestra B, C) Muestra C y
D) Muestra D. ....................................................................................................................... 82
Figura 42. Curva de calibración agua sintética preparada con ciproflaxacina ..................... 84

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Clasificación de los contaminantes en función de la tratabilidad (Moran, 2016) .. 19
Tabla 2. Metales pesados encontrados en aguas tratadas (Babel & Kurniawan, 2003) ....... 20
Tabla 3. Principales polímeros sintéticos utilizados en las membranas comerciales y sus
aplicaciones en tratamiento de aguas (Guizard, 1999). ........................................................ 28
Tabla 4. Condicionesusadas para la acetilación de la celulosa de agave ............................ 57
Tabla 5. Resultados de caracterización de fibras de bagazo de agave. ................................ 69
Tabla 6. Grado de sustitución (Morais de Carvalho et al.) de las fibras de celulosa
modificadas por acetilación .................................................................................................. 73
Tabla 7. Porcentaje de cristalinidad de la celulosa y nanofibras de agave ........................... 79
Tabla 8. Análisis superficial de las membranas de nanofibras de celulosa de bagazo de agave
.............................................................................................................................................. 83
Tabla 9. Desempeño de las membranas de nanofibras de bagazo de agave en la adsorción de
ciploflaxacina........................................................................................................................ 84

AGRADECIMIENTOS

Si hay algo que he aprendido a lo largo de mi vida, es que nuestra sociedad valora en gran
medida los logros personales. Sin embargo me he dado cuenta que tiene una tendencia a
obviar el esfuerzo grupal que como sociedad se realiza para llegar a ellos. La lista de personas
que han hecho posible este momento es muy larga, intentare nombrar a tantas como sea
posible. A las personas que no mencione, tengan por seguro que las tengo presentes en todo
momento, aunque la aportación que realizarán fuera imperceptible a ojos externos.
En primer lugar quiero comenzar por agradecer a la Dra. Belkis, mi directora de tesis. Sus
ideas son las que hicieron posible esta investigación, su atento seguimiento con sus alumnos
es una enorme cualidad que aprecio en gran medida. Espero que sus alumnos continúen
beneficiándose de sus conocimientos y sus cualidades. Así mismo mencionar a sus alumnos
de posgrado y grado que hacen posible mucho del trabajo del grupo de investigación.
A continuación quiero agradecer al equipo de trabajo del Dr. Guillermo Toriz en el Instituto
de Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara. Por todo lo que aprendí y todas las
facilidades que tuvieron a bien prestar para el trabajo de laboratorio de esta tesis. Así mismo
al Dr. Alfredo Escalante, por enseñarme y asesorarme continuamente en el trabajo diario. Y
no menos importante el Dr. Ezequiel Delgado, por mencionar algunos miembros del equipo
de trabajo.
Un especial agradecimiento por todo su apoyo al Dr. Orlando Rojas, de la Universidad de
Aalto en Finlandia. Y de su equipo, especialmente a Maryam Borghei, que me asistieron en
gran medida durante mi estancia en Aalto. Su equipo de trabajo es increíble y un gran ejemplo
para mí. También de Finlandia quiero agradecer a la familia Erkko que me hospedo durante
3 meses y me hicieron sentir como parte de su familia y su cultura, los recuerdo con mucho
cariño.
A mi familia y a mi novia, por ser un apoyo en todo momento, por enseñarme a ser paciente
y dedicado. Por enseñarme el valor del trabajo día a día y de los valores que cada uno de ellos
tiene. Por tenerme paciencia en mis días de estrés y los fines de semana y noches que no pude
dedicarles el tiempo suficiente a ellos. Gracias por todo.

Por último es necesario reconocer las instituciones que han aportado ya sea de manera
económica o en especie a este trabajo de investigación. Esto es a mi alma mater la
Universidad de Guadalajara, que con sus instalaciones y programas para estudiantes me ha
apoyado en mi crecimiento profesional desde la licenciatura. Y la Universidad de Aalto de
Finlandia, que me recibió como alumno de intercambio de maestría por 3 meses y me enseño
una infinidad de cosas. Además este trabajo fue posible gracias a las becas otorgadas para
posgrados de los programas CONACYT del gobierno de México.

DEDICATORIA

Este documento engloba 2 años de maestría.
Los frutos se los quiero dedicar a mi familia y a mi novia Claudia Mata.
A mi familia por su apoyo incondicional en las buenas y en las malas.
Y a mi novia por siempre creer en mí y tener que compartirme con el estudio y la
investigación. Espero que estos sacrificios nos provean de un mejor futuro.

RESUMEN

El agua es de primordial importancia para la vida y para la actividad humana. En este último
siglo los problemas de abastecimiento, tratamiento y contaminación del agua han recibido
una creciente atención. Asimismo el uso integral de los recursos que el planeta produce y los
“materiales verdes" ha ido en aumento, un ejemplo es la celulosa. En este trabajo se propone
la obtención de este material de un producto de desecho regional Bagazo de Agave (BA) y
por medio de la nanotecnología, su adecuación para tratamiento de contaminantes en agua.
Esta investigación consistió en extraer la celulosa mejorando procesos con química verde,
posteriormente se modificó la celulosa químicamente para alterar su hidrofobicidad y
potencial Z. Se microfluidizo el material para desfibrilar la celulosa y convertirla en
nanocelulosa. Por último se formaron membranas por medio de filtración, intercambio de
solventes y liofilización. Se caracterizó por métodos estandarizados el (BA), y las membranas
por medio de difracción de rayos (XRD), Espectrometría Infrarroja con Transformada de
Fourier (FTIR), Microscopio electrónico de barrido (Hepsen & Kaya), Microscopio de fuerza
atómica (AFM) y pruebas de absorción de un contaminante emergente “ciprofloxacina” por
medio de espectroscopia UV-Vis. Los resultados encontrados en cuanto a adsorción de
contaminante emergente tipo antibióticos son prometedores, y se observa el uso potencial de
las membranas de nanofibras de celulosa de bagazo de agave.

INTRODUCCIÓN

El agua es una molécula fundamental, que permite los diversos procesos químicos que hacen
posible la vida, así como las distintas actividades humanas. Desafortunadamente, de los 173
x 1015 m3 de agua que existen en el planeta, solamente una cincuentava parte corresponde
con agua dulce (Alario Franco, 2006).
Como resultado directo del crecimiento poblacional, el aumento de la industrialización, la
expansión de las actividades sociales, el continuo incremento de la demanda y las cada vez
mayores dificultades para su abastecimiento, la degradación de las fuentes de agua naturales
y el riesgo de conflictos internacionales, se ha creado una situación de riesgo global. A lo
cual es necesario añadir el cambio climático que está afectando los patrones normales de
lluvias, acentuando los problemas de desigualdad en la distribución natural del agua y
desestabilizando el abastecimiento. Estadísticas recientes muestran que el 15% de la
población global carece de acceso al agua potable y el 36% sufre de escasez por al menos un
mes al año. En el último siglo, la demanda de agua y su uso se ha incrementado a un ritmo
del doble del crecimiento poblacional (Qasim, Darwish, Sarp, & Hilal, 2015).
Estos factores han hecho que los gobiernos locales busquen fuentes alternativas para
abastecer la demanda de agua, como por ejemplo el agua de lluvia, agua dulce contaminada,
descargas de aguas grises, aguas negras y agua salada. A lo que se tiene que añadir que las
tecnologías e infraestructura actual de tratamiento de agua dulce y de aguas negras están
alcanzando su límite para proveer agua de calidad adecuada para uso humano y para
descargas al medio ambiente (Qu, Alvarez, & Li, 2013).
Avances recientes en nanotecnología ofrecen grandes saltos en la oportunidad de diseñar los
sistemas de la próxima generación. Los sistemas actuales de tratamiento, abastecimiento y
descarga se encuentran altamente centralizados y por lo tanto ya no son convenientes para
enfrentar las problemáticas actuales. Los sistemas modulares, altamente eficientes, y de
múltiples procesospermitidos por la nanotecnología serán diseñados para proveer alta
eficiencia en tratamiento y distribución de agua, así como un costo menor debido a que no
requerirán gran cantidad de infraestructura. El tratamiento de agua por medio de las
soluciones aportadas por la nanotecnología promete no solo vencer los retos enfrentados por

los sistemas actuales de tratamiento de agua, sino también permitir el tratamiento económico
de fuentes no convencionales de agua (Qu et al., 2013).
Es en este contexto que la comunidad científica tiene como objetivo la investigación de
nuevas tecnologías, nuevos materiales y procedimientos para enfrentar estos retos actuales y
futuros. En específico la búsqueda de nuevos materiales se ha de realizar considerando los
recursos locales disponibles y buscando minimizar el impacto ambiental de la obtención de
los mismos. Un ejemplo de este tipo de materiales se encuentra en la región del occidente de
México, con una industria establecida de grandes proporciones de la bebida “Tequila” y cuya
exportación se encuentra en constante crecimiento en mercados emergentes. El tequila se
obtiene de la planta de agave tequilana weber, en específico de la parte central (conocida
como piña). Esta planta después de su periodo de crecimiento es despojada de sus hojas
(proceso artesanal conocido como jima) y llevada a hornos o autoclaves para ser cocidas por
un largo periodo, transformando así sus carbohidratos en azúcares fermentables.
La obtención de un litro de tequila requiere en promedio 4-6kg de la materia prima conocida
como “piñas de agave”, a partir de la que se generan 3-4kg en base húmeda de un primer
residuo denominado “bagazo de agave”, un material de aspecto fibroso con altos contenidos
de humedad y azúcares (Rodríguez et al., 2010). La piña del agave esta principalmente
formado por 42% de celulosa, 22% de azúcares extraíbles, 20% de hemicelulosa y 15% de
lignina (Aviña, 1999).
Para el presente trabajo la celulosa es de particular interés, ya que diversas investigaciones
previas han estudiado este polímero por su abundancia y su origen natural. Las fibras de
celulosa son un componente estructural formado por un proceso de manufactura celular,
biogénesis celular, estabilizado por enlaces de hidrogeno y fuerzas de van der Waal. Estas
fibras contienen zonas amorfas o cristalinas (Salas, Nypelö, Rodriguez-Abreu, Carrillo, &
Rojas, 2014). Existen gran variedad de fuentes naturales de celulosa, las cuales van desde
maderas y plantas hasta animales marinos y bacterias, cada una tiene sus características y
particularidades. En la biogénesis de la celulosa se ha demostrado que la especie de origen
es un factor importante en las características finales de contenidos de celulosa, hemicelulosa
y lignina. Así mismo afectando las características de las zonas cristalinas en las cadenas de
celulosa.

Una de estas fuentes de celulosa estudiadas es una especie conocida coloquialmente como
henequén, agave sisalana. Las fibras de henequén están compuestas por celulosa en un 50 a
74% (Morán, Alvarez, Cyras, & Vázquez, 2008), en la investigación de Morán se extrajo la
celulosa y se preparó nanocelulosa por medio de hidrólisis acida. En otro experimento para
la extracción de nanocristales de celulosa se procesó por medio de hidrolisis ácida con ácido
sulfúrico, siguiendo una metodología optimizada (G. Riva, J. Silva, F. Navarro, F. López-
Dellamary, & J. Robledo, 2014).
Las investigaciones en nano partículas de celulosa (cristales o fibras) se enfocan en una
extensa gama de aplicaciones potenciales por ejemplo en artilugios ópticos, membranas de
barrera, como refuerzo de otros materiales, además de hacer uso de sus características
coloidales y su capacidad de formar películas sólidas, emulsiones, espumas y geles. Se tiene
reportes de la producción de acetatos a base de celulosa como barreras y membranas para la
desalinización de agua, utilizando la técnica de inversión de fase. En uno de los casos de
estudio se recomendó utilizar la modificación de la superficie con el objetivo de obtener
esteres en los enlaces de hidróxido. Esto permite que la superficie de la celulosa presente un
grado medio de hidrofilia, ya que la superficie sin modificar es altamente hidrofílica
propiciando la absorción de humedad entre la fibra de celulosa disminuyendo el flujo de agua
en los poros de la barrera (Qasim et al., 2015).
El objetivo primordial del tratamiento de agua es remover los constituyentes indeseables. Las
membranas proveen un medio físico de barrera basado en los tamaños de estos
constituyentes, con los cual se permite el uso de fuentes de agua no convencionales. Uno de
los mayores retos de la tecnología de membranas es el intercambio inherente entre la
selectividad de la membrana y la permeabilidad de la misma, así como el problema del
taponamiento. La integración de nanomateriales ofrece una gran oportunidad para mejorar la
permeabilidad de las membranas, resistencia al taponamiento, estabilidad térmica así como
introducir nuevas funciones como la degradación de contaminantes y auto-limpiado (Qu et
al., 2013).
El objetivo general de esta investigación fue estudiar membranas preparadas con
nanocelulosa obtenida del bagazo de agave tequilana weber para su potencial uso en procesos
de purificación de agua. Se van a realizar experimentos de adsorción de contaminantes

emergentes tipo antibióticos, ya que en los últimos años se ha reportado ser contaminantes
difíciles de eliminar por métodos convencionales de remoción. Los contaminantes
emergente se encuentran diseminados en el ambiente y se han detectado en fuentes de
abastecimiento de agua, aguas subterráneas e incluso en agua potable. Son compuestos de
los que se conoce poco, en cuanto a su presencia, impacto y tratamiento; en la mayoría de los
casos son contaminantes no regulados, que pueden ser candidatos a regulación futura (Gil,
Soto, Usma, & Gutiérrez, 2012).
El trabajo de tesis contiene un capitulo introductorio donde se desglosan los objetivos,
hipótesis y antecedentes del tema, un capítulo de marco teórico o revisión de la literatura en
donde se explican conceptos de interés como son: sistemas actuales de filtración,
celulosa, nanomateriales extraídos de la celulosa residuos vegetales, entre otros. Un capítulo
de metodología en donde se detallan los materiales, equipos y métodos empleados para dar
cumplimiento a los objetivos planteados en la investigación. Luego un capítulo de
resultado, en donde se discuten los datos obtenidos referentes a la síntesis, caracterización y
desempeño de las membranas. Por último se presenta un capitulo con las conclusiones
más relevantes del tema de investigación. Este trabajo se realizó bajo la línea de
investigación de Ingeniería del agua de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería para el Agua
y la Energía del Departamento de Agua y Energía, de la Universidad de Guadalajara, Centro
Universitario de Tonalá, bajo la dirección del Dra. Belkis Coromoto Sulbarán Rangel, la
Co-dirección del Dr. Víctor Hugo Romero Arellano y el Dr. Guillermo Toriz González y la
asesoría del Dr. Marco Alfredo Escalante.

1. OBJETIVOS E HIPÓTESIS

1.1 Objetivo general

Preparar membranas con nanocelulosa obtenida del bagazo de agaves tequilana weber para
su evaluación en sistemas de adsorción de contaminantes emergentes.

1.2 Objetivos específicos

 Sintetizar por métodos mecánicos fibras de celulosa de agave a escala nanométrica y
caracterizar por métodos de espectroscopia.
 Preparar y caracterizar membranas nanoestructuradas con las fibras de celulosa
obtenidas del bagazo de agave tomando en cuenta variables de fabricación
 Evaluar las membranas nanoestructuradas de celulosa de bagazo de agave en
procesos deadsorción de contaminantes emergentes presentes en agua para consumo

1.3 Hipótesis

Con residuos agroforestales de bagazo de agave tequilana weber se podrá extraer celulosa
para luego modificar a escala nanométrica por métodos mecánicos de micro fluidización y
así realizar membranas nanoestructuradas de celulosa con potencial uso en procesos de
purificación de agua para consumo.

2. MARCO TEÓRICO

El agua es la sustancia más abundante en la tierra ocupando aproximadamente el 70% de la
corteza terrestre. Se encuentra presente en una gran variedad de procesos biológicos, físicos
y químicos. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha declarado que el acceso al agua
potable es fundamental para la salud, uno de los derechos humanos básicos y un componente
de las políticas eficaces de protección de la salud.
En algunas regiones, se ha comprobado que las inversiones en sistemas de abastecimiento de
agua y de saneamiento pueden ser rentables desde un punto de vista económico, ya que la
disminución de los efectos adversos para la salud y la consiguiente reducción de los costos
de asistencia sanitaria son superior al costo de las intervenciones. Dicha afirmación es válida
para diversos tipos de inversiones, desde las grandes infraestructuras de abastecimiento de
agua al tratamiento del agua en los hogares. La experiencia ha demostrado asimismo que las
medidas destinadas a mejorar el acceso al agua potable favorecen en particular a los pobres,
tanto de zonas rurales como urbanas, y pueden ser un componente eficaz de las estrategias
de mitigación de la pobreza (OMS, 2010).

2.1 Contaminación del agua

La contaminación del agua está definida como la introducción directa o indirecta del hombre
en el ambiente de substancias, organismos, materiales genéticos que causen o sean
susceptibles de causar daño a la salud humana, daños a los recursos vivos o de los
ecosistemas, o daños a instalaciones o que interfieren con otros usos legítimos del medio
ambiente. Dicho de otro modo la contaminación del agua puede ser cualquier sustancia
química, física o biológica que altere la calidad de agua y esto tiene un efecto dañino en
cualquier ser vivo que beba o que use la misma. Cuando los seres humanos beben agua
contaminada a menudo tiene efectos graves en su salud. La contaminación del agua también
puede hacer que el agua sea inadecuada para el uso deseado (Moran, 2016).

La contaminación puede tener un origen difuso o puntual. Se puede clasificar según el criterio
de análisis que se pretenda desarrollar:
- Analítico: está en función del tipo de agente que lo modifica que puede ser físico, químico
o biológico. Modificando el olor, color, sabor, contenido, pH y presencia de organismos.
- Tratabilidad: está en función de sus posibilidades de tratamiento, como se indica en la Tabla
1.
Tabla 1. Clasificación de los contaminantes en función de la tratabilidad (Moran, 2016)

2.1.1 Metales pesados en agua

La contaminación por metales pesados es un gran problema en áreas de industrialización
intensiva (Hamissa et al., 2010). Debido a la descarga de grandes cantidades de agua residual
contaminada con metales pesados las industrias que utilizan químicos como el Cd, Cr, Cu,
Ni, As, Pb y Zn se han convertido en algunas de las más peligrosas. Estos materiales tienen
Agente Mezcla Tipo Sub-tipo Tratamiento
Gruesa Tamizado
Finos Filtración
Flotantes Flotación Simple
Sedimentables Sedimentación
No Patógenos -
Patógenos Desinfección
Intercambio Iónico
Electrodiálisis
Neutralización
Osmosis Inversa
Oxidación/Reducción
Precipitación Química
Biológico Natural
Biológico Asistido
Adsorción
Oxidación Química
Contaminante
Biológicos
Suspendidos
Inorgánicos
Biodegradables
Persistentes
Orgánicos
Disueltos

una alta solubilidad en ambientes acuáticos y posteriormente tienden a acumularse en
organismos, hasta llegar a los seres humanos (Barakat, 2011).
Las aguas residuales industriales que contienen metales pesados se producen a partir de
diferentes industrias. Los procesos de galvanización y tratamiento de superficies metálicas
generan cantidades significativas de aguas residuales que contienen metales pesados como
cadmio, zinc, plomo, cromo, níquel, cobre, vanadio, platino, plata y titanio (Tabla 2) de una
variedad de aplicaciones. Estos incluyen procesos muy variados como la galvanización,
deposición metálica, conversión-revestimiento, anodización, limpieza, fresado y grabado de
diversas superficies metálicas. Otra fuente importante de residuos de metales pesados es el
resultado de la fabricación de placas de circuitos impresos (PCB) (Sörme & Lagerkvist,
2002).
Tabla 2. Metales pesados encontrados en aguas tratadas (Babel & Kurniawan, 2003)
Metal
Pesado
Efectos por Toxicidad
MCL
(mg/L)
Arsénico Manifestaciones cutáneas, cáncer visceral, enfermedad
vascular
0.050
Cadmio Daño renal, trastorno renal, cancerígeno 0.01
Cromo Dolor de cabeza, diarrea, náuseas, vómitos, cancerígeno 0.05
Cobre Daño hepático, enfermedad de Wilson, insomnio 0.25
Níquel Dermatitis, náuseas, asma crónica, tos, cancerígeno 0.20
Zinc Depresión, letargo, signos neurológicos y aumento de la sed 0.80
Plomo Daño al cerebro fetal, enfermedades de los riñones, sistema
circulatorio y sistema nervioso
0.006
Mercurio Artritis reumatoide, enfermedades de los riñones, sistema
circulatorio y sistema nervioso
0.00003

Se considera como metal pesado aquel que tiene una densidad mayor a 5g por centímetro
cúbico. El arsénico se incluye en esta clasificación aunque en realidad es un metaloide debido
a su alta toxicidad. Los metales pesados tienen serios efectos en la salud como por ejemplo
crecimiento y desarrollo reducido, cáncer, daño en los órganos, daño en el sistema nervioso

y en casos extremos la muerte. La exposición a algunos metales como el mercurio y plomo
puede llevar a enfermedades autoinmunes, en las que el sistema inmune ataca las propias
células del cuerpo. Esto puede conducir a serios daños en el organismo como artritis
reumatoide, daños en los riñones, en el sistema circulatorio y sistema nervioso. Los metales
pesados también afectan el desarrollo del cerebro durante la gestación y en altas dosis pueden
causar daños irreparables en el cerebro humano (Barakat, 2011).

2.1.2 Microorganismos contaminantes de agua

Los contaminantes de origen biológico son indicadores de contaminación orgánica y
biológica; proveniente tanto de actividad natural (descomposición animal y vegetal), como
humana (residuos fecales, y domésticos), como se indica en la Figura 1. Este tipo de
contaminantes suelen ser más difíciles de controlar que los físicos y los químicos. Otro asunto
de interés en esta clasificación la tiene el aspecto bacteriológico ya que pueden provocar
enfermedades fuertes en el humano principalmente.

Figura 1. Tipos de contaminantes de origen biológicos

2.1.3 Contaminantes emergentes

Cabe apuntar que es cada vez mayor la preocupación acerca del impacto en los ecosistemas
acuáticos de los productos cosméticos y farmacéuticos como las píldoras anticonceptivas,
analgésicos y antibióticos. Poco se sabe de sus efectos a largo plazo sobre los humanos y los
ecosistemas, aunque se cree que algunos pueden suplantar las hormonas naturales en los
humanos y otras especies, este tipo de contaminantes son llamados contaminantes
emergentes (Stuart, Lapworth, Crane, & Hart, 2012).
Contaminantes Biológicos
Bacteriológicos Virales Protozoarios Parasitarios Helminticos

A continuación mencionaremos los contaminantes emergentes más comunes encontrados en
aguas:
- Los pesticidas y plaguicidas.
- Productos farmacéuticos.
- Drogas ilícitas.
- Hormonas esteroides.
- Productos de cuidado personal.
- Aditivos industriales y subproductos.
Estos contaminantesse encuentran diseminados en el ambiente y se han detectado en fuentes
de abastecimiento de agua, aguas subterráneas e incluso en agua potable. Son compuestos de
los que se conoce poco, en cuanto a su presencia, impacto y tratamiento; en la mayoría de los
casos son contaminantes no regulados, que pueden ser candidatos a regulación futura (Gil,
Soto, Usma, & Gutiérrez, 2012).
A escala mundial los fármacos más usados son analgésicos, antihipertensivos y
antimicrobianos. Los antibióticos son fármacos de amplio uso en el mundo; su efecto contra
microorganismos patógenos en animales y humanos, así como su uso para la preservación de
alimentos, han incrementado su producción y consumo, permitiendo grandes descargas sobre
los cuerpos de agua con manifestaciones de resistencia microbiana en las zonas de estudio.
Hay evidencia de la presencia de residuos de antibióticos en el ambiente y su implicación en
los mecanismos de defensa propios de los organismos vivos. Entre los antibióticos con mayor
reporte en los cuerpos de agua están las tetraciclinas, los aminoglicósidos, los macrólidos,
los betalactámicos, la vancomicina, la ciprofloxacina, entre otros (Gil et al., 2012; Villaseñor-
Basulto, Del Real-Olvera, & Rojas Ramírez, 2016).

2.2 Adsorción de contaminantes en aguas

De forma general se puede definir la adsorción como un fenómeno superficial que implica a
un adsorbato y un adsorbente debido a la aparición de fuerzas de interacción entre ambos.
Un parámetro de especial importancia en el diseño de sistemas de eliminación de
contaminantes mediante adsorción es la capacidad del adsorbente, la cual depende de muchos
factores. En primer lugar se encuentran las propiedades del adsorbato tales como su
geometría, tamaño molecular, polaridad, hidrofobicidad, grupos funcionales que contiene y
su solubilidad en agua. En segundo lugar se pueden citar las condiciones de la disolución
tales como su pH, temperatura, concentración del contaminante, fuerza iónica y solutos
competitivos (Khosravi, Azizi, Ghaedrahmati, Gupta, & Agarwal, 2017).

Los procesos de adsorción no generan subproductos no deseables al agua potable; sin
embargo, se requieren altas tasas de consumo de absorbente en el caso de usar carbón
activado para absorber contaminantes orgánicos polares. Varios estudios evaluaron la
absorción de contaminantes emergentes individuales sobre carbones activados en agua
ultrapura y en competencia con materia orgánica natural; sin embargo, solo unos pocos han
evaluado la remoción de una mezcla de contaminantes por medio de absorción con carbón
activado (Gil et al., 2012).

2.3 Filtración con membranas

La filtración con membranas ha sido objeto de estudio para el tratamiento de efluentes
inorgánicos, ya que es capaz de eliminar no sólo compuestos sólidos y orgánicos
suspendidos, sino también contaminantes inorgánicos tales como metales pesados.
Dependiendo del tamaño de partícula que sea necesario retener, se pueden emplear diversos
tipos de filtración por membrana tales como la ultrafiltración, la nanofiltración y la ósmosis
inversa para la eliminación de metales pesados de las aguas residuales. Un ejemplo es la
ultrafiltración (UF) utiliza una membrana permeable para separar los metales pesados, las
macromoléculas y los sólidos suspendidos de la solución inorgánica en base al tamaño de

poro (5-20 nm) y al peso molecular de los compuestos de separación (1000-100.000 Da)
(Barakat, 2011; Dufresne, 2013).

Debido a características que incluyen separación selectiva de sales, buena eliminación
orgánica, y los requerimientos de presión relativamente baja, las membranas NF se están
utilizando cada vez más en una amplia variedad de aplicaciones incluyendo el tratamiento de
aguas y aguas residuales. Las limitaciones de la tecnología NF actual incluyen la
incompatibilidad con Oxidantes, rango de temperatura estrecho, limitaciones hacia la
mitigación de incrustaciones y generación de desechos. El desarrollo de materiales de
membrana NF más robustos con eficiencias de separación mejoradas así como membranas
con baja propensión al ensuciamiento incrementará aún más las áreas de aplicación
(Shahmansouri & Bellona, 2015).

La tecnología usual de tratamiento de aguas contaminadas consiste de una serie de
operaciones que implican la extracción, tratamiento y control sanitario de los productos de
desechos arrastrados por las aguas residuales. La composición de las aguas residuales se
analiza por mediciones físicas, químicas y biológicas a fin de reducir en la medida necesaria
las sustancias de riesgo para las personas y el medio ambiente, evitando así que estos
microorganismos lleguen a ríos o a otras fuentes de abastecimiento o al menos sus efectos
nocivos. Se pueden usar desde sencillos procesos físicos como la sedimentación, en la que
se deja que los contaminantes se depositen en el fondo por gravedad, hasta complicados
procesos químicos, biológicos o térmicos, esto es en función de la calidad de agua requerida.
Para obtener agua más limpia usualmente se combinan los tratamientos (Ribeiro,
Bergamasco, Gimenes, & Müller, 2007). Desde los años 60, cuando las membranas de
acetato de celulosa fueron desarrolladas, se descubrió su potencial de uso para el tratamiento
de aguas naturales y residuales.

La tecnología de membrana en los tratamientos de agua, consiste en utilizar un dispositivo
poroso que impida el paso de partículas más grandes que sus poros. A los dispositivos
utilizados se les llama membranas, y estas se definen como un film muy delgado que separa
dos fases (Deng et al., 2015). Actúa como una barrera selectiva al transporte de materia al

existir una diferencia de potencial químico. Sus rendimientos en términos de caudales y
selectividades dependen principalmente de la naturaleza de los elementos contenidos en las
dos fases y de la fuerza directora que se aplica (Akther et al., 2015; Deng et al., 2015).

Las membranas sintéticas surgieron con la intención de imitar a las membranas naturales,
siendo necesario observar y comprender el fenómeno de la permeación además de
desenvolver técnicas de síntesis de las mismas (Guizard, 1999). Los factores principales que
han limitado el desarrollo de la tecnología de membrana son su elevado costo de inversión,
de operación, y un inadecuado conocimiento de las ventajas potenciales de las membranas
en el tratamiento de aguas (Akther et al., 2015; Karapanagioti, 2016).

Los sistemas de membrana para el tratamiento de agua originalmente se usaron únicamente
en proyectos de desalinización. La microfiltración (MF), ultrafiltración (UF) y la ósmosis
inversa (O'Sullivan) se utilizaron en áreas donde había requerimientos de vertido muy
rigurosos o donde se pretendía reutilizar el agua depurada. Pero las mejoras en la tecnología
de membranas los han convertido en una opción cada vez más popular para la eliminación
de microorganismos, partículas y materiales orgánicos naturales que afectan el sabor del agua
y enturbian su claridad.

2.3.1 Tipos de membranas
Por naturaleza química, las membranas se dividen en dos grandes grupos:

- Membranas orgánicas: Todas aquellas membranas cuya capa activa está fabricada a partir
de un polímero o copolímero orgánicos (polietileno, polipropileno, acetato de celulosa,
poliamida, polisulfonas etc.) y suelen ser de naturaleza hidrófila. En general, las membranas
de este tipo son más fáciles de procesar y por lo tanto más económicas; pero presentan graves
deficiencias en lo que se refiere a resistencias mecánicas, térmicas y a agentes químicos
agresivos (Guizard, 1999).

- Membranas inorgánicas: La utilización de membranas inorgánicas es relativamente reciente
y son actualmente objeto de desarrollos importantes. Esto debido al resultado de sus

propiedades intrínsecas que sonmás resistentes mecánicamente, térmicamente y
químicamente que las membranas orgánicas. Entre estas se encuentran las membranas
cerámicas, las preparadas a partir de vidrio, de carbón o de metales como el aluminio,
zirconio o titanio. Sin embargo, la principal desventaja de este tipo de membranas es que son
más frágiles y más costosas que las orgánicas (Guizard, 1999).

Las membranas también se pueden clasificar según su estructura física y mecanismo de
separación en:

- Membranas microporosas: Estructuras porosas con una estrecha distribución de tamaño de
poros. Las membranas que se encuentran en este grupo tienen una distribución de diámetros
de poro de 0.001mm – 10mm. Generalmente, estas membranas se emplean en los procesos
de depuración de aguas que utilizan microfiltración y ultrafiltración, y el proceso se basa
simplemente en impedir por exclusión el paso de aquellos contaminantes de mayor tamaño
al de los poros, siendo parcialmente permeables aquellas sustancias cuyo tamaño es menor o
más pequeño al diámetro del poro. En este tipo de membranas la fuerza impulsora
responsable del flujo de permeado a través de la membrana es una diferencia de presión.

- Membranas densas: Son estructuras sin poros donde el paso de las sustancias a través de la
membrana sigue un modelo de solución-difusión, en el que los componentes de la solución
se disuelven en la membrana y posteriormente se difunden a través de ella. La diferente
solubilidad y difusividad de los componentes de la solución en la membrana permiten la
separación de sustancia del tamaño de moléculas e iones.
Debido a las fuertes presiones a las que tienen lugar estos procesos las membranas son de
tipo anisótropo. La ósmosis inversa y la nanofiltración son procesos que utilizan este tipo de
membranas.

-Membranas cargadas eléctricamente: Pueden ser porosas o densas, con restos aniónicos o
catiónicos fijos en la estructura de la membrana. La separación es consecuencia de la carga
de la membrana, siendo excluidos aquellos componentes cuya carga sea la misma que la de
la membrana. La separación también depende de la carga y concentración de los iones de la

solución. Los iones monovalentes son excluidos menos eficazmente que los divalentes, así
mismo, el proceso de separación es menos efectivo en soluciones de elevada fuerza iónica.
Estas membranas se utilizan en los procesos de electrodiálisis.

- Membranas anisótropas: Las membranas anisótropas son estructuras laminares o tubulares
donde el tamaño de poro, la porosidad o la composición de la membrana cambia a lo largo
de su espesor. Están constituidas por una delgada película (densa o con poros muy finos)
soportada en otra más gruesa y porosa, de tal forma que la primera es la responsable del
proceso de separación y la segunda aporta al sistema la suficiente resistencia mecánica para
soportar las condiciones de trabajo. La película responsable del proceso de separación y la
que aporta la resistencia mecánica pueden estar fabricadas con el mismo material
(membranas de Loeb-Sourirajan) o con materiales diferentes (membranas de tipo composite).
Por otra parte, la unidad de operación en la que se disponen las membranas para su utilización
se denomina módulo. Esta unidad de trabajo consta de membranas, estructuras de soporte de
la presión, las puertas de entrada de alimentación y salida de concentrado y de puntos de
extracción del permeado.

A nivel comercial, se encuentran disponibles diferentes tipos de membranas configuradas
con diversas geometrías, entre las cuales se tienen:

- Membranas planas: Los módulos de placas fueron los primeros, y están constituidos por un
grupo de membranas planas, de forma rectangular o circular y se apoyan en mallas de drenaje
o placas porosas. Las membranas se separan con espaciadores con espesor del orden de 2
mm (García, 2012).

- Membranas tubulares: Los módulos tubulares se fabrican utilizando como soporte un tubo
perforado o poroso, dentro del cual van las membranas tubulares (Muñoz, 2010).

- Membranas en forma de espiral: Los módulos espirales están constituidos por membranas
planas que se enrollan en espiral en torno a un tubo central, de plástico con orificios (García,
2012).

- Membranas de fibra hueca o capilares: Las fibras huecas son estructuras tubulares con 0.1-
1.0 mm de diámetro externo y 50 mm de diámetro interno, dimensiones que son un orden de
magnitud inferior a las denominadas membranas tubulares. La mayoría de ellas son de tipo
anisótropo, donde la estructura responsable de la separación se dispone en la superficie
externa o interna de la fibra.

2.3.2 Membranas poliméricas

Los polímeros son macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas
(monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena. Con este material se fabrican
membranas, las membranas a base de polímeros se han beneficiado de los progresos
realizados en el campo de los polímeros sintéticos en los últimos treinta años (Guizard, 1999).

Tabla 3. Principales polímeros sintéticos utilizados en las membranas comerciales y sus
aplicaciones en tratamiento de aguas (Guizard, 1999).
Polímeros
Micro
filtración
Ultra
filtración
Nanofiltración
Osmosis
Inversa
Celulosa y derivados * * * *
Polietileno *
Polipropileno *
Poliéster *
Poliacrilo nitrilo * * * *
Polisulfona * * * *
Policarbonato *
Polivinil fluoruro * *
Poliamida modificada * * * *
Politetra fluoroetileno * *
Poliamida imida *
Polibenzo imidazol * * *
*Aplicación

Las primeras membranas artificiales se prepararon a partir de la celulosa y de sus derivados.
Estas membranas se utilizan todavía pero presentan una resistencia limitada a los productos
químicos y a la temperatura. Por el contrario, los polímeros sintéticos más recientes tienen
una resistencia química y térmica más elevada que la de la celulosa. Los principales
polímeros utilizados en la fabricación de las membranas comerciales se muestran en la Tabla
3. Las membranas poliméricas son preparadas por procesos diferentes dependiendo del
material utilizado y de la aplicación escogida. Muchos métodos se pueden utilizar en la
fabricación de membranas comerciales en función de su estructura (Guizard, 1999).

Membranas compuestas por dos materiales (polisulfona / óxido de grafeno) han sido
reportadas por (Rezaee et al., 2015) usando el método de inversión de fase en húmedo. El
óxido de grafeno fue utilizado como una manera de mejorar la hidrofilicidad, porosidad y
flujo. Además en su estudio las pruebas realizadas a las membranas incluyeron un estudio al
rechazo de arsénico, mostrando que el óxido de grafeno aporta al desempeño general de la
polisulfona.
El grafeno es una nanopartícula inorgánica que tiene una forma bidimensional única, un
grosor de capa de un átomo, una alta área superficial (2360 m2/g), entre otras características
atractivas para modificar membranas. Por otra parte el óxido de grafeno (GO) es altamente
hidrofílico debido a la presencia de oxigeno conteniendo muchos grupos funcionales
(hidroxilo, carbonilo, carbonilo y epoxi).
Mientras que la polisulfona es un material polimérico que es ampliamente utilizado en
multitud de membranas para filtración, ultrafiltración, hemodiálisis y tecnologías de
bioreactores. Algunas de las razones por las que se utiliza este polímero es por su estabilidad
térmica, resistencia mecánica, resistencia a un amplio espectro de pH y químicos y su fácil
solubilidad en solventes polares.
A pesar de todas estas características deseables la polisulfona tiene sus problemas. Uno de
los principales es su tendencia al taponamiento (Fouling), incluso en mayor medida que otros
materiales, esto debido a su alta hidrofobicidad y la interacción de las cargas presentes en su
superficiecon las partículas disueltas en el agua.

2.3.3 Nanofiltración

La nanofiltración es una tecnología relativamente reciente con características que caen entre
la ultrafiltración (UF) y la osmosis inversa (RO), el termino NF aparece por primera vez a
mediados de los años 80’s. Mientras las membranas de RO dominan la industria de la
desalinización de agua de mar, la NF es utilizada en una variedad de aplicaciones en aguas
residuales e industrialmente en la filtración selectiva de iones y sustancias orgánicas
(Shahmansouri & Bellona, 2015).
Debido a que fundamentalmente las membranas NF son similares a las de RO, la designación
se basa en características como el tamaño de poro efectivo, peso molecular de exclusión y
rechazo a sales. Debido a estas características, así como a la buena capacidad de remover
compuestos orgánicos y requerimientos bajos de presión de operación, las membranas NF
están encontrando cada vez más aplicaciones en la industria (Shahmansouri & Bellona,
2015).
Se ha reportado que las membranas NF son las más adecuadas para la remoción de
compuestos orgánicos del agua y para disminuir la dureza del agua. Además esta tecnología
es preferentemente utilizada para remoción del color y productos residuales de otros
precursores de desinfección, de la misma manera ha sido reportado su uso para remoción de
arsénico, fluoruro, metales pesados, carbón inorgánico, nitratos, pesticidas y varios
contaminantes orgánicos emergentes (Shahmansouri & Bellona, 2015).
En la industria textil existen reportadas dos aplicaciones para las membranas NF, la
producción de tintes y el tratamiento de aguas residuales y su reutilización. Además para el
tratamiento de agua potable las membranas NF podrían ser más efectivas que otras
tecnologías, particularmente cuando se necesita tratar la dureza del agua, el color y otros
agentes químicos de tratamiento (Shahmansouri & Bellona, 2015).
Problemas encontrados en la aplicación de la nanofiltración:
- En cualquier proceso de filtración, los contaminantes tienen una tendencia a adherirse a la
superficie de la membrana y formar una capa que disminuye la capacidad de filtración y la
vida útil de la membrana. Para reducir el taponamiento de las membranas NF se ha propuesto

su combinación con otras tecnologías como la absorción, coagulación/floculación,
ozonización y UF (Shahmansouri & Bellona, 2015).
- La desalinización de agua marina es aún limitada con tecnología NF, debido a que las
membranas NF tienen poca capacidad de rechazar iones monovalentes, por lo que se ha
propuesto su uso en un proceso hibrido junto con membranas RO o MSF. Al introducir estos
modelos híbridos de desalinización se puede disminuir los costos típicos en un 30%
(Shahmansouri & Bellona, 2015).
- La tecnología actual de NF es incompatible con la mayoría de los químicos oxidantes y
otros agentes residuales (Shahmansouri & Bellona, 2015).
- Los materiales utilizados para la elaboración de membranas de NF no son capaces de
soportar altas temperaturas de operación por tiempos prolongados.
- Como resultado directo del efecto de taponamiento y el desgaste producido por las
temperaturas de operación, se vuelve una necesidad cambiar constantemente de membranas
y esto genera una gran cantidad de residuos que son de difícil manejo. Esto último debido a
que la mayoría de los materiales utilizados no son biodegradables.
- En general las membranas utilizadas en la filtración (RO) requieren altas presiones de
operación y por consiguiente son muy demandantes energéticamente (Rezaee et al., 2015).
- El rol del pH es uno de los factores más influyentes en el funcionamiento de las membranas
en cuanto al rechazo de Arsénico. Con un incremento de pH el rechazo de Arsénico se
incrementa debido a algunas razones; en primer lugar con un incremento de pH el potencial
Z se incrementa y la superficie de la membrana incrementa su negatividad. Además la carga
del arsénico también se ve influida con el incremento de pH. En segundo lugar el incremento
de pH produce un cambio en las especies de arsénico dominante en la solución, a pH <6.9
iones monovalentes de (H2AsO4
-) son dominantes, mientras que a pH >6.9 iones bivalentes
(HAsO4
2-) se vuelven dominantes (Rezaee et al., 2015).

2.4 Celulosa

La celulosa es uno de los recursos naturales más abundantes del mundo. La celulosa está
constituida por una cadena polimérica lineal compuesta de dos unidades de anhidroglucosa
repetidas que están unidas covalentemente por enlaces β- (1,4) glicosídicos como se muestra
en la Figura 2 (Dufresne, 2013; Habibi, Lucia, & Rojas, 2010; Moon, Martini, Nairn,
Simonsen, & Youngblood, 2011).

Figura 2. Estructura química de la celulosa
Cada cadena de celulosa posee una asimetría química de dirección con respecto a los
extremos de su eje molecular: una unidad hemiacetal, un grupo hidroxilo y un extremo no
reductor nominal. El número de unidades de glucosa o el grado de polimerización (Abdul
Khalil et al.) es de hasta 20.000, pero pueden existir cadenas más cortas localizadas
principalmente en las paredes celulares primarias (Moon et al., 2011). En la Figura 3 se
observar la estructura jerárquica de la madera.
Figura 3. Estructura jerárquica de la madera (Moon et al., 2011).

La celulosa es producida por plantas, algunas especies de bacterias e incluso algunos
animales, sin embargo es utilizada por el hombre principalmente al ser extraída de especies
maderables. Cuando se observa una fibra celulósica, ya sea en el borde desgarrado de un
trozo de papel, o a través de un microscopio óptico, es fácil pasar por alto el hecho de que
está compuesto de componentes nano-dimensionados (Hubbe, Rojas, Lucia, & Sain, 2008).
Este material ha sido estudiado en un gran número de aplicaciones en los más diversos
campos de estudios. La idea es que mediante la ingeniería cuidadosa de los componentes a
escala nanométrica de las estructuras celulósicas se puede lograr el una gran mejora de las
propiedades de los materiales y los usos finales no encontrados en la naturaleza.
La celulosa nativa es un homopolímero de condensación lineal con una estructura compleja,
de la cual se pueden considerar tres niveles estructurales:
- Nivel molecular (Å). La celulosa es considerada como una macromolécula singular. Se
discute su constitución química, distribución de masa molecular, presencia de sitios reactivos
y las interacciones intermoleculares.
- Nivel supramolecular (nm). Agregación de macromoléculas de celulosa en fibras
elementales, microfibrillas y macrofibras. Además se discute interacciones intermoleculares
y cristalinidad.
- Nivel morfológico (nm-μm). En este nivel se describe la organización de microfibrillas y
macrofibras en capas y paredes, la existencia de distintas capas celulares en las plantas y en
estructuras creadas por el hombre (Thomas, Visakh, & Mathew, 2013).

2.4.1 Cristalinidad de la celulosa

El primer espectro de difracción de rayos equis (XRD) fue tomado por Nishikawa y Ono en
1913. Este descubrimiento determino que las moléculas individuales de celulosa tienden a
auto ensamblarse en un arreglo altamente organizado que resulta en un estado
“paracristalino”(Thomas et al., 2013).
La cristalinidad es de interés ya que tiene influencia directa en las propiedades físicas y
mecánicas de la celulosa. Normalmente se estima mediante mediciones de difracción de

rayos X (XRD), esto se debe a que técnicas clásicas como el escaneo diferencial por
calorimetría (DSC, Differential scanning calorimetry) y estudios de dilatación no pueden ser
usados con la celulosa debido a su naturaleza. El grado de cristalinidad es comúnmente
definido como la relación entre la porción cristalina del espectro de difracción entre el área
total de difracción de la parte amorfa y cristalina. Sin embargola deconvolución de los picos
generados en el espectro de rayos X es un proceso complicado (Dufresne, 2013).
Gracias a su linealidad y capacidad de formar enlaces de hidrógeno, hay varias maneras en
las que las cadenas de celulosa se organicen y formen estructuras cristalinas. El grado de
cristalinidad de la celulosa nativa depende de la fuente, la celulosa de madera es típicamente
alrededor de 60% cristalina (Tomé et al., 2011). En el estado sólido, los puentes de hidrógeno
entre las moléculas de celulosa no se arreglan irregularmente o al azar, sino en un sistema
ordenado con propiedades cristalinas. Debido a los cambios que experimenta la celulosa con
la temperatura o en presencia de reactivos químicos, presenta varias formas (polimorfismo)
(Fengel & Wegener, 2003)
Los grupos hidroxilos presentes en la macromolécula de la celulosa son los principales
causantes de la variedad de enlaces hidrogeno inter e intra molecular, los cuales dan origen
a varios arreglos cristalinos ordenados (Figura 4).

Figura 4. Puentes de hidrógeno intramoleculares e intermoleculares en dos moléculas
adyacentes de celulosa (Fengel & Wegener, 2003).

En la literatura se han reportado 6 arreglos cristalinos para la celulosa: La celulosa nativa o
tipo I, II, IIII, IIIII, IVI y IVII que pueden ser convertidas unas en otras como lo muestra la
Figura 5 (O'Sullivan, 1997).

Figura 5. Interconversión de los polimorfos de la celulosa (O'Sullivan, 1997).
La celulosa I o celulosa nativa tiene un gran tamaño molecular y según su procedencia posee
grados de polimerización comprendidos entre (mw 1.8 – 1.4x106). A causa de su alto peso
molecular y de la estructura firmemente ordenada es insoluble en agua (Moon et al., 2011)
También es muy pequeña su capacidad de adsorción de agua, aunque varía con la procedencia
de la celulosa. La celulosa tipo I se presenta de forma natural mientras las formas restantes
son producidas a partir de la celulosa nativa mediante diferentes tratamientos químicos. En
la naturaleza, la polimerización de celulosa y la cristalización se producen al mismo tiempo
y su forma cristalina nativa con cadenas paralelas se nombra celulosa I o nativa. La celulosa
nativa consiste de dos alomorfos cristalinos, llamadas Iα y Iβ (Figura 6). El Iα contiene una
cadena con celda unidad triclínica, mientras que el Iβ tiene dos cadenas de celda monoclínica.
Las dos fases se encuentran coexistiendo en la naturaleza, pero con diferente proporción
dependiendo de la fuente (Newman Roger, 1999; Wada, Sugiyama, & Okano, 1993)

Figura 6. Enlaces de hidrógeno para la estructura de celulosa Iα (a) y Iβ (b). ●Átomos de
Carbono. ○Átomos de Oxígeno. ● Átomos de Hidrógeno. La línea punteada amarilla
representa la unión de puente de hidrógeno entre cadenas (Festucci-Buselli, Otoni, & Joshi,
2007).
El Iα es termodinámicamente meta estable y puede convertirse por medio de calor en celulosa
Iβ que es más estable. Estas dos estructuras difieren en el modo de unión de las cadenas por
los enlaces de puentes de hidrógeno, como se aprecia en la Figura 6.
La celulosa II es la segunda forma más estudiada de la celulosa. Se obtiene por regeneración
o mercerización de la celulosa I y se diferencia de la celulosa nativa por que las cadenas están
alineados anti-paralelo en lugar de en paralelo. También tiende a ser algo menos rígido que
la celulosa I posiblemente debido al hecho de que su estructura contiene sólo un enlace de
hidrógeno intramolecular, mientras que la celulosa I tiene dos (Festucci-Buselli et al., 2007).
El tratamiento de la celulosa con amoniaco líquido o con ciertas aminas permite la
preparación de la celulosa III a partir de celulosa I o de celulosa II. La celulosa III tratada a
altas temperaturas con glicerol es transformada en celulosa IV. La forma cristalina de la
celulosa se ha estudiado mediante técnicas de difracción de rayos X (XRD) y la relación de
las fases presentes en la celulosa I se ha determinado con las técnicas de infrarrojos (FT-IR)
y Resonancia Magnética Nuclear (NMR) (Hulleman, van Hazendonk, & van Dam, 1994;
Lahaye, Rondeau-Mouro, Deniaud, & Buléon, 2003). A través de estos estudios, se conoce
que la celda unitaria monoclínica de la fase Iβ tiene dimensiones de: a: 8.01 Å., b: 8.17 Å, c:
10.36 Å, γ: 97.3°. La fase Iα correspondiente a una celda triclínica tiene dimensiones de: 6.74
Å., b: 5.93 Å, c: 10.36 Å, α: 117° y β: 113° y γ: 97.3°.

Asimismo, se ha determinado que la celulosa Iα es meta estable y se puede convertir en Iβ
con tratamiento hidrotérmico a 260°C. Esta conversión es causada por la modificación de los
enlaces que dan origen a las fases de la celulosa nativa (Arroyo, 2008).
La fase cristalina de la celulosa es responsable de las buenas propiedades mecánicas de
fibrillas celulósicas. La celulosa cristalina I es rígida, que tiene un módulo de Young en la
dirección de la cadena con los valores determinados experimentalmente entre 120 a 143 GPa
y, teóricamente, algo más alto, 124-155 GPa. Esto es más alto que las fibras de vidrio
(aproximadamente 80 GPa) y comparable a Kevlar 49 (alrededor de 140 GPa), por lo tanto,
la celulosa es una alternativa interesante para su uso como material de refuerzo en materiales
compuestos (Bergenstråhle, 2008).

2.4.2 Propiedad higroscópica de la celulosa

La celulosa, debido a la gran cantidad de OH de su estructura molecular tiene naturaleza
hidrofílica. Esto junto con los cambios consecuentes en el espesor de las fibras ha sido citado
en numerosas ocasiones como una limitante en la aplicación de la celulosa en compósitos
(Hubbe et al., 2008). La interacción superficial entre el agua y la celulosa es compleja, ya
que tanto el H20 y COH pueden actuar en los puentes de hidrogeno ya sea como donadores
de H+ o como los receptores de los mismos. Por ejemplo el H2O puede formar un puente
entre uno de sus hidrógenos con el oxígeno del COH, o en otro caso el hidrogeno del grupo
COH puede formar un puente de hidrógeno con el oxígeno del H2O. En forma adicional el
hidrogeno del H2O puede llegar a formar puentes de hidrogeno con el oxígeno del enlace
glucosídico (Kubicki, Watts, Zhao, & Zhong, 2014).

2.4.3 Modificación química de la celulosa

La literatura existente para la modificación de la celulosa es abundante y de manera general
se puede dividir en 2 enfoques; el pretratamiento antes de un proceso de fibrilación mecánica
o el post-tratamiento después de los procesos mecánicos para la obtención de algún
subproducto. Un tercer enfoque ha surgido, en el cual se realiza una hidrolisis química y la

funcionalización de la celulosa en un mismo proceso. En la Figura 7 se ejemplifica la
estructura fundamental de la celulosa (monóm, los átomos de carbono se encuentran
numerados de acuerdo a las indicaciones IUPAC.

Figura 7. Estructura de anhidroglucosa.
Debido a su estructura y su disponibilidad de grupos OH en la superficie la celulosa, se vuelve
objeto prácticamente de introducir cualquier modificación y funcionalización de su
superficie. Por mencionar algunos métodos:
 Adsorción de surfactantes y macromoléculas.
 Esterificación, acetilación y acilación.
 Cationización.
 Sililación
 TEMPO oxidación
 Injerción de polímero
En la Figura 8 se observa un esquema de las diferentes modificaciones químicas reportadas
en la literatura.

Figura 8. Modificaciones químicas comunes en celulosa (Moon et al., 2011).

El grupo OH en la posición 6 de la unidad de anhidroglucosa actúa como el alcohol primario.
En estudios de esterificación conducidos por (Guthrie & Hebeish, 1981) se estableció que
este grupo puede reaccionar 10 veces más rápido que los otros 2 grupos, y el grupo OH en la
posición 2 reacciona 2 veces más rápido que el grupo OH en la posición 3 (Figura 7).
Uno de los principalesobjetivos al utilizar la modificación química de la celulosa antes de
someterla a acción mecánica es la reducción de la energía necesaria en los procesos
subsiguientes. De la misma manera, cuando no se utiliza un pretratamiento se presentan los
llamados “bundles of fibers”, líos o bultos de fibras que debido a los puentes de hidrogeno
propiciados por la naturaleza química de la celulosa, los cuales son responsables de una mala
dispersión y por consiguiente un aumento en el gasto energético o incluso problemas con los
equipos mecánicos encargados de fibrilar las fibras de celulosa.
Los pretratamientos usualmente reportados en la literatura pueden ser el corte mecánico,
hidrolisis acida, tratamientos enzimáticos, o la introducción de grupos químicos cargados.
Estos pre-tratamientos son capaces de reducir el gasto energético a cerca de 1,000 kWh/ton,
lo cual es comparable con la producción de pulpa mecánica y por tanto es viable
industrialmente (Siró & Plackett, 2010).
En el tratamiento de corte mecánico las fibras vírgenes o blanqueadas, se someten a un
refinador con el objetivo de reducir su tamaño. Al ser este un tratamiento mecánico se
requieren muchos ciclos para lograr el objetivo y se consume mucha energía.
En el pretratamiento con hidrolisis acida el ácido corta los enlaces 1-β-4 en las zonas amorfas
de las microfibras de la celulosa y por lo tanto se disminuye sus dimensiones, volviéndose
más accesible para tratamientos mecánicos. Es necesario un control muy puntual de las
condiciones para evitar la degradación extrema de las fibras, ya que podría llegarse a
nanocristales o incluso hidrolizar completamente la celulosa en azucares.
En la naturaleza se pueden encontrar enzimas que degradan la celulosa en azucares simples
que sirven de alimento a diversos microorganismos, estas enzimas se conocen como celulasas
(Liu, Fu, Zhu, Li, & Zhan, 2009; Zhang & Lynd, 2006). De acuerdo a sus propiedades
estructurales las celulasas pueden ser clasificadas en tres grupos:

 Endoglucanasas: De manera aleatoria hidrolizan el enlace beta 1-4 intramolécular en
las cadenas de celulosa.
 Exoglucanasas: Actúan sobre los extremos de las cadenas de celulosa, liberando
glucosa y celubiosa.
 B-glucosidasas: Actúan hidrolizando la celubiosa y liberando glucosa.

El uso de esta forma de tratamiento ha sido reportado como una manera de producir bioetanol
y nanofibras de celulosa en un proceso integrado con una eficiencia del 90% (Zhu, Sabo, &
Luo, 2011).

2.4.4 Rutas de funcionalización de la celulosa

La ruta elegida como pretratamiento gobierna en gran medida las propiedades finales de la
celulosa modificada y por tanto resultara en condiciones diferentes de resistencia mecánica
o térmica, hidrofobicidad, etc. El tratamiento convencional con ácido sulfúrico (H2SO4)
tiende a modificar la superficie con grupos éster sulfatos, mientras que tratamientos con ácido
acético pueden llegar a presentar grupos acetilo (Moon et al., 2011). En la Figura 9 se pueden
observar distintas rutas.

Figura 9. Rutas de funcionalización de la celulosa (Moon et al., 2011).

2.4.5 Acetilación de la celulosa

Un método reportado recientemente para la obtención de celulosa acetilada hace referencia
a la esterificación Fischer, en la cual un ácido fuerte se utiliza como un hidrolizador y
catalizador de un ácido débil que modifica los grupos OH de la celulosa (Morán et al., 2008;
Trifol et al., 2016). En la Figura 10 se observa en detalle el mecanismo de funcionamiento
del proceso de esterificación Fischer.

Figura 10. Proceso de esterificación Fischer.

2.4.6 Carboximetilación de la celulosa

Este método consiste en sustituir grupos OH por grupos carboximetilo. Es resultado de
utilizar ácido monocloroacético en presencia de hidróxido de sodio. Comúnmente se utiliza
isopropanol como solvente adecuado. Dependiendo del grado de sustitución la celulosa
puede volverse reactiva y soluble. Este tratamiento produce que las fibrillas estén altamente

cargadas y por tanto sean más fáciles de liberar de la matriz (Walecka, 1956). En la Figura
11 se observa la reacción de carboximetilación:

Figura 11. Reacción de carboximetilación.

2.4.7 Oxidación TEMPO de la celulosa

El pre-tratamiento con 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxilo (TEMPO) transforma los grupos
OH en grupos carboxilo. La reacción ocurre en medio acuoso con un pH entre 10-11 y con
un sistema TEMPO/NaBr/NaClO. Es el más actualizado actualmente para producción de
nanofibras de celulosa. Este material es utilizado como catalizador en esta reacción, su punto
de fusión se encuentra entre 36ºC y 38ºC (Saito, Nishiyama, Putaux, Vignon, & Isogai, 2006).
En la Figura 12 se observa la reacción TEMPO oxidación.

Figura 12. Reacción TEMPO oxidación.

2.5 Fuente de celulosa a partir de bagazo de agave

La celulosa se genera de manera natural en una manera casi pura en fibras textiles de plantas
como el algodón, la ramina, el jute y el lino. Mientras que la celulosa encontrada en plantas
maderables (softwoods y hardwoods como el bamboo, caña, etc.) se encuentra presente junto
con lignina, hemicelulosas y una pequeña cantidad de extraíbles (Thomas et al., 2013).
Los agaves son plantas perennes, con hojas dispuestas en espiral y arregladas en roseta en el
ápice de un tallo, el cual puede ser corto y apenas sobrepasar unos centímetros del suelo, o
bien, ser largo y erecto (García Mendoza, 2007). La planta de agave pertenece a la familia de
las agaváceas, que se agrupan en el orden Asparagales. El género Agave lo constituyen 197
taxas (en biología, grupo de organismos emparentados, que en una clasificación dada han
sido agrupados), comprende aproximadamente 200 especies, de las cuales el 75 % se
encuentran en México, lugar considerado el centro de (Domínguez, del Real Laborde,
Murphy, Ríos, & Díaz, 2007).
De acuerdo a la clasificación taxonómica realizada por Nobel (1988), la planta de agave
tequilero pertenece al reino Plantae, división Antophyta, clase Angiospermas, subclase
Monocotiledoneas, orden Liliales, familia Agavaceae, género Agave, subgénero Agave,
grupo Rigidae, especie tequilana Weber, variedad azul; de aquí que su nombre botánico sea
Agave Weber azul (Gonzáles Hernández, 2013).
El agave weber azul es una planta xerófila (que crece en zonas áridas y cálidas) de hojas
rígidas color azul-verdoso originado por un alto contenido de ceras las cuales impiden que la
planta pierda agua, son delgadas y casi planas a estas se les conoce como “pencas”; mide
aproximadamente 1.25 m de largo y 10 cm de ancho y tiene una espina terminal de color rojo
oscuro de 2 cm (Bautista, García, Barboza-Corona, & Parra, 2001).

2.6 Nanocelulosa

La celulosa se puede modificar a escalas nanométricas por diferentes métodos y obtener
nanocelulosa. El termino nanocelulosa se refiere a un material que tienen al menos una de
sus dimensión en el rango nanométrico. Las cadenas de las moléculas de nanocelulosa están

en forma tubular alargada teniendo una marcada relación de aspecto longitud-diámetro. La
tendencia o magnitud típica del diámetro es de 10 a 20 nanómetros y la de su longitud es de
10 veces o más la de su diámetro, esta propiedad geométrica de la molécula la hace muy
sensible a diferentes campos de aplicación (Moon et al., 2011; Salas et al., 2014).
Las nanocelulosas se pueden clasificar en tres subcategorías principales en la base de sus
dimensiones, funciones y métodos de preparación, que a su vez dependen principalmente de
la fuente celulósica y en las condiciones de procesamiento. Se usa la nomenclatura como
nanocristales de celulosa (NCC) y nanofibras de celulosa nanofibrilada (NFC). Otro tipo de
nanocelulosa es la nanocelulosa bacteriana (NCB) que se sintetiza con un método de abajo
hacia arriba a partir