XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002
REMOCIÓN DE NITROGENO AMONIACAL CON ZEOLITA TIPO CLINOPTILOLITA.
Nombre del autor 1: * Miriam Silvia López Vigil
Instituto Tecnológico de Tehuacán, D.G.I.T.
Realizó sus estudios de Licenciatura en Ingeniería Bioquímica en el Instituto Tecnológico de Veracruz y la maestría en Ciencias en Ingeniería Ambiental en la División de Estudios de Posgrado del Instituto Tecnológico de Orizaba, actualmente realiza sus estudios de doctorado en el Instituto de Ingeniería en el programa de la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Desde 1990 labora para la Dirección General de Institutos Tecnológicos, adscrita al Instituto Tecnológico de Tehuacán, como profesor titular.
Dirección: Instituto de Ingeniería, edificio 5, cubículo 412, Circuito Interior s/n, Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacan, CP 04510, México D.F., Teléfono: 01(5) 56-22-33-35 ext. 5, 56-22-33-20, Fax: 01(5) 56-16-21-64. E-mail: [email protected] , [email protected]
Nombre del autor 2: María Teresa Orta de Velásquez Instituto de Ingeniería – UNAM
RESUMEN
La presencia de amonio (>0.5 mg/L, de acuerdo con el límite establecido por la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994) en fuentes de abastecimiento y aguas subterráneas es considerada como un claro indicador de contaminación y su permanente incremento ha llegado ha ser un problema común en años recientes (Dimova, et. al., 1999). En este trabajo se presentan los resultados del estudio de remoción de nitrógeno amoniacal por intercambio iónico con zeolita tipo clinoptilolita en reactores intermitentes de mezcla completa en función de la concentración inicial (0.25, 0.50 y 1.0 gr N-NH3/L), el pH (7 y 11), el tiempo de contacto (0, 6, 12, 18, 24 y 48 horas) y el tipo de zeolita (homoiónica nueva: 1 y homoiónica regenerada: 2), encontrándose que existe dependencia de la eficiencia de remoción por cada uno de estos factores, habiendo mayor remoción a menor concentración inicial, a pH 7, con zeolita 1 y a mayor tiempo de contacto. Se obtuvieron valores de 100 y 95% de remoción en 18 horas con zeolita 1 y 2 respectivamente a pH 7 con concentración inicial de 0.25 gr N-NH3/L, mostrando que la zeolita natural tipo clinoptilolita es un intercambiador eficiente para la remoción de nitrógeno amoniacal.
Palabras clave: Nitrógeno amoniacal, zeolita, clinoptilolita, homoionización.
INTRODUCCIÓN
En este trabajo se presentan los resultados del estudio de remoción de nitrógeno amoniacal por intercambio iónico con zeolita tipo clinoptilolita. El estudio se realizó en reactores intermitentes de mezcla completa en función de la concentración inicial (0.25, 0.50 y 1.0 gr N-NH3/L), el pH (7 y 11), el tiempo de contacto (0, 6, 12, 18, 24 y 48 horas) y el tipo de zeolita (homoiónica nueva: 1 y homoiónica regenerada: 2). Se encontró que existe dependencia de la eficiencia de remoción por cada uno de estos factores, habiendo mayor remoción a menor concentración inicial, a pH 7, con zeolita
1 y a mayor tiempo de contacto. La clinoptilolita es eficiente en la remoción de nitrógeno amoniacal obteniéndose valores de 100 y 95% de remoción en 12 horas con zeolita 1 y 2 respectivamente a pH 7 con concentración inicial de 0.25 gr N-NH3/L.
JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
La importancia de las aguas subterráneas en el abastecimiento de agua con la calidad adecuada para uso y consumo humano es indiscutible pues gracias a ellas muchas regiones del mundo han podido ser habitadas. Este es el caso de la ciudad de México en donde el abastecimiento por esta fuente es del 70%. Sin embargo, la presencia de nitrógeno amoniacal tanto en aguas superficiales como en subterráneas es un claro indicador de contaminación (>0.5 mg/L, de acuerdo con el límite establecido por la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994). El permanente incremento de nitrógeno amoniacal ha llegado ha ser un problema común en años recientes en varias partes del mundo (Dimova, et. al., 1999).
Actualmente muchas de las fuentes de abastecimiento de agua en la ciudad de México presentan problemas de contaminación por presencia de nitrógeno amoniacal (DGCOH, 1998).
La presencia de nitrógeno en sus diferentes formas tiene serias implicaciones pues:
• Como N-NH3 causa toxicidad para peces y la vida acuática, a pH alcalino provoca la reducción de los niveles de oxígeno disuelto en el agua al oxidarse el N-NH4+ en N-NOx .
• Interfiere en la desinfección del agua, principalmente la potable al reaccionar el N-NH4+ durante la cloración. • Provoca la corrosión de ciertos metales y materiales de construcción en su forma N-NH4+.
• Produce la metamoglobinemia en infantes en sus formas oxidadas NOx.
• Promueve la eutroficación acelerada (crecimiento excesivo de plantas) cuando se haya como N-NO3-.
Dentro de los procesos que son comúnmente empleados para la eliminación de nitrógeno se tienen al intercambio iónico, la oxidación con cloro y la desorción, siendo el primero de ellos él reportado con mayor eficiencia.
Este trabajo se realiza para evaluar la eficiencia de remoción del nitrógeno amoniacal mediante intercambio iónico con zeolita clinoptilolita, que es la más abundante de las zeolitas naturales conocidas en diferentes partes del mundo (Bosch y Schifter, 1995), ante variaciones en la concentración inicial, el pH, el tiempo de contacto y su reutilización (regeneración). La zeolita utilizada en este estudio fue recolectada de un yacimiento ubicado a 17° 14’ latitud norte y 97° 13’ longitud oeste, del poblado de Etla, Oaxaca, México.
OBJETIVO
Evaluar la remoción de nitrógeno amoniacal por intercambio iónico con zeolita tipo clinoptilolita homoiónica en reactores intermitentes de mezcla completa ante variaciones de concentración, pH, tiempo de contacto y zeolita. ACTIVIDADES DESARROLLADAS
1. Preparación de la zeolita mediante molienda de las piedras colectadas, separando las fracciones por cribado a malla +8, -16 a fin de obtener un tamaño homogéneo.
2. Acondicionar la zeolita con la finalidad de incrementar su capacidad de intercambio catiónico, para lo cual se sometieron a un proceso de homoionización descrito por Carland y Aplan (1995) y Vaca M. (1999), en el cual se lava la zeolita con agua destilada, se seca a 110°C durante 24 horas, se divide en lotes de 15 g y se adicionan 100 mL de una solución 1M de NaCl por cada lote, los cuales se calientan en autoclave durante dos horas a 120°C y 2 atm. Después de un período de enfriamiento las muestras se filtran y lavan tres veces con agua destilada. Se repite el procedimiento completo dos veces más y finalmente la zeolita se seca a 65°C durante 12 horas y se conserva en un desecador (zeolita 1).
3. Preparación de soluciones con concentración inicial de 0.25, 0.50 y 1 gr N-NH3/L con valores de pH de 7 y 11, respectivamente.
4. Obtención de zeolita con una regeneración (zeolita 2) después de someter un lote acondicionado a intercambio iónico y su posterior homoionización.
5.
Realizar la experimentación en reactores intermitentes utilizando frascos herméticos con 50 mL de solución y 5 g de zeolita homoiónica sódica nueva (zeolita 1) y regenerada (zeolita 2) respectivamente, agitados rotatoriamente a 100 r.p.m., a 20°C ± 2, con tiempos de contacto de 0, 6, 12, 18, 24, 48 horas, corriendo simultáneamente frascos de control. Se generan 72 tratamientos y cada uno se realiza por duplicado dando un total de 144 evaluaciones.6. Tomar muestras a los diferentes tiempos de contacto y analizar el contenido de nitrógeno amoniacal.
7. Analizar los resultados bajo un diseño factorial balanceado de efectos fijos donde la variable de respuesta será el contenido de Nitrógeno amoniacal y los cuatro factores fijos son:
• Concentración inicial en 3 niveles: 0.25, 0.50 y 1 gr N-NH3/L • pH en dos niveles: 7 y 11
• Tiempo de contacto (Horas), en seis niveles: 0, 6, 12, 18, 24, 48 horas. • Zeolita en 2 niveles: homoiónica nueva (1) y homoiónica regenerada (2).
RESULTADOS
En micrografía realizada a 10 000 X (Microscopia Electronica de Barrido, Jeol, JSM-5900LV) mostrada en la figura 1, se aprecia la cristalinidad superficial y porosidad de la zeolita clinoptilolita homoiónica.
Los resultados promedio del por ciento de remoción de nitrógeno amoniacal a diferentes condiciones de concentración inicial, pH, tiempo de contacto y tipo de zeolita, se muestran en las figuras 2 a 7, donde se puede observar que en cualquier combinación se obtienen mayores % de remoción a valores de pH 7 que a 11. Así mismo, se observa que la zeolita 1 y 2 tienen un comportamiento muy similar a pH 7 en cuanto al amonio removido, pero a pH 11 la zeolita 1 logra mejores remociones. Los primeros valores de 100% de remoción se obtienen a las 12 horas con concentración inicial de 0.25 g/L, pH 7 y zeolita 1. Para la concentración inicial de 0.5 g/L, los primeros datos de 100% de remoción se obtuvieron a las 24 horas de tiempo de contacto, pH 7 y zeolita 1. El máximo % de remoción alcanzado para la concentración inicial de 1 g/L fue de 91% a las 48 horas con pH 7, con las zeolita 1 y 2.
De acuerdo con los resultados del análisis factorial (tabla 1) de los datos, la remoción de nitrógeno amoniacal es dependiente de:
• La concentración inicial (Fo= 1.3x103): encontrando una mayor remoción a menor concentración inicial.
• El pH (Fo=1.23x 103): verificándose que las mejores remociones en todas las combinaciones se dieron a pH 7, debido a que en este valor de pH y por debajo de la neutralidad, el ion amonio se encuentra en equilibrio con el amoniaco y los iones H+ facilitando su intercambio.
NH4+ → NH3↑+ H+
• Tipo de zeolita (Fo=20.49): Con la zeolita 1 se obtienen mejores % de remoción que con la zeolita 2 (la cual ha sido regenerada), sin embargo a pH 7 con ambas se alcanzaron remociones del 100% (Ej.: concentración inicial 0.25 g/L, 12 horas para zeolita 1 y 24 horas para zeolita 2).
• Tiempo de contacto (Fo=245.57): A mayor tiempo de contacto mejor remoción.
Figura 1: Micrografia de la zeolita clinoptilolita homoionica sódica (10000 X)
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 % de Remoción 0 6 1 2 1 8 2 4 4 8 T ie m p o ( H o r a s ) % d e R e m o c ió n d e n it r ó g e n o a m o n ia c a l ( c o n c e n t r a c ió n in ic ia l 1 g / L , p H 7 ) Z e o lita 1 Z e o lita 2 Figura 2. Remoción de nitrógeno amoniacal con concentración inicial de 1 g/L y pH 7.
0 20 40 60 80 % de Remoción 0 6 12 18 24 48 T iem po (H oras) % d e R e m o c ió n d e n itró g e n o am o n ia c a l (concentración inicial 1 g/L, pH 11) Z e o lita 1 Z e o lita 2
Figura 3. Remoción de nitrógeno amoniacal con concentración inicial de 1 g/L y pH 11.
0 50 100 % de Remoción 0 6 12 18 24 48 T iem po (H oras)
% d e R em o ció n d e n itró g en o am o n iacal (concentración inicial 0.5 g/L, pH 7)
Zeolita 1 Zeolita 2
0 20 40 60 % de Remoción 0 6 12 18 24 48 T iem po (H oras)
% d e R em o ció n d e n itró g en o am o n iacal (concentración inicial 0.5 g/L, pH 11)
Zeolita 1 Zeolita 2
Figura 5. Remoción de nitrógeno amoniacal con concentración inicial de 0.5 g/L y pH 11.
0
20
40
60
80
100
% de Remoción0
6
12
18
24
48
Tiem po (H oras)
% de R em o ción de nitróg eno am o niacal (concentración inicial 0.25 g/L, pH 7)
Zeolita 1 Zeolita 2 Figura 6. Remoción de nitrógeno amoniacal con concentración inicial de 0.25 g/L y pH 7.
0 20 40 60 80 % de Remoción 0 6 12 18 24 48 Tiempo (Horas)
% de Rem oción de nitrógeno am oniacal (concentración inicial 0.25 g/L, pH 11)
Zeolita 1 Zeolita 2
TABLA 1. Resultados del análisis de variancia para N-NH3. Fuente de Variación GL SC MC Fo P Conc. In 2 5,33329 2,66665 1313,09 0,000 pH 1 2,49851 2,49851 1230,30 0,000 Zeolita 1 0,04162 0,04162 20,49 0,000 Tiempo 5 2,49358 0,49872 245,57 0,000 Conc. In*pH 2 1,08116 0,54058 266,19 0,000 Conc. In*Zeolita 2 0,01075 0,00538 2,65 0,075 Conc. In*Tiempo 10 0,45959 0,04596 22,63 0,000 pH*Zeolita 1 0,02856 0,02856 14,06 0,000 pH*Tiempo 5 0,48981 0,09796 48,24 0,000 Zeolita*Tiempo 5 0,01224 0,00245 1,21 0,311 Error 109 0,22136 0,00203 Total 143 12,67049 GL: Grados de Libertad SC: Suma de Cuadrados MC: Media de Cuadrados CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Existe diferencia significativa (α= 0.05) para la remoción de nitrógeno amoniacal debida a los cuatro factores evaluados (concentración inicial, pH, tiempo de contacto y zeolita), siendo la concentración inicial y el pH los factores con mayor influencia, seguidos del tiempo de contacto y finalmente la zeolita.
Existe también, un efecto sobre la remoción de nitrógeno amoniacal debido a cada una de las siguientes interacciónes de los factores:
Concentración inicial*pH, Fo= 266,19 ; Concentración inicial*Zeolita, Fo= 2,65; Concentración inicial*Tiempo, Fo=22,63
pH*Zeolita, Fo= 14,06;
pH*Tiempo, Fo= 48,24
con la excepción de la combinación, que no es significativa:
Zeolita*Tiempo, Fo= 1,21
Siendo la interacción concentración inicial*pH la de mayor efecto, reportándose las mejores remociones a menor concentración inicial y pH 7.
Es recomendable la aplicación de intercambio iónico con zeolita homoiónica sódica tipo clinoptilolita para la remoción de nitrógeno amoniacal de agua contaminada pues mostró ser muy eficiente aún para altas concentraciones de este contaminante a pH 7.
Los resultados obtenidos muestran que a pH 7, la zeolita regenerada (zeolita 2) presenta un comportamiento muy cercano (con variaciones de 0 a 5%) a la zeolita que está siendo utilizada por primera vez (zeolita 1), lo que la hace económicamente atractiva para su reutilización.
BIBLIOGRAFIA
Bosch P., y Schifter I., (1995) La zeolita. Una piedra que hierve; Fondo de Cultura Económica, Cuarta reimpresión, México.
Carland R., y Aplan F.(1995). Improving the ion exchange of and elution of Cu+2 from natural sedimentary zeolites; Minerals and Metallurgical Processing, Vol. 12, 4, 210-218.
Dimova G., Mihailov G., y Tzankov Tz., (1999). Combined filter for ammonia removal – Part I: minimal zeolita contact time and requirements for desortion; Water Science and Technology,. Vol. 39, 8, 123-129.
DGCOH. (1998). Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica. Fuentes de abastecimiento con problemas de calidad. Dirección Técnica. Subdirección de Desarrollo Tecnológico. Unidad Departamental de usos del agua y efectos en la salud.
Vaca, M. (1999). "Remoción de metales y fenol con zeolita tipo clinoptilolita y establecimiento de series de competencia". Tesis doctoral. DEPFI-UNAM. pp 30-34.
