UNIVERSIDAD ANDINA
“NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ”
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL
TESIS
“REMOCIÓN DEL ARSÉNICO TOTAL PROVENIENTE DE AGUAS SUBTERRÁNEAS POR QUITOSANO OBTENIDO DE ESCAMAS DE TRUCHA
ARCOÍRIS (Oncorhynchus mykiss), JULIACA - 2017”. PRESENTADA POR:
Bach. JUDITH VARGAS CONDORI
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO SANITARIO Y AMBIENTAL
iv
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE GENERAL ... iv
ÍNDICE DE FIGURAS ... ix
ÍNDICE DE TABLAS ... xi
DEDICATORIA ... xii
AGRADECIMIENTOS ... xiii
LISTA DE ABREVIATURAS ... xiv
LISTA DE SIGLAS ... xiv
LISTA DE SÍMBOLOS ... xiv
LISTA DE FÓRMULAS QUÍMICAS ... xv
RESUMEN ... xvi
ABSTRACT ... xvii
INTRODUCCIÓN ... xviii
CAPÍTULO I ... 1
EL PROBLEMA ... 1
1.1. Análisis de la situación problemática ... 1
1.2. Planteamiento del problema. ... 3
1.2.1. Problema general. ... 3
v
1.3. Objetivos de la investigación ... 4
1.3.1. Objetivo general ... 4
1.3.2. Objetivos específicos ... 4
1.3.3. Justificación del estudio ... 5
1.4. Hipótesis ... 6
1.4.1. Hipótesis general ... 6
1.4.2. Hipótesis específicas ... 6
1.4.3. Variables. ... 7
1.4.4. Operacionalización de variables... 7
CAPÍTULO II ... 8
MARCO TEÓRICO ... 8
2.1. Antecedentes del estudio. ... 8
2.2. Bases teóricas. ... 11
2.2.1. Arsénico y sus especies. ... 11
2.2.2. Quitosano. ... 12
2.2.3. Extracción del quitosano por desacetilación de la quitina, mediante el método químico heterogéneo ... 14
2.2.4. Uso del quitosano para la eliminación de metales en las aguas. ... 16
2.2.5. Adsorción. ... 18
vi
2.2.7. Espectrometría de emisión atómica ICP – OES. ... 20
2.3. Marco normativo. ... 20
2.4. Conceptual. ... 21
2.4.1. Aguas subterráneas. ... 21
2.4.2. Arsénico. ... 21
2.4.3. Quitosano. ... 21
2.4.4. Grupos funcionales. ... 21
2.4.5. Grupo amino. ... 21
2.4.6. Grupo oxidrilo. ... 22
2.4.7. Sitios activos ... 22
2.4.8. Grado de desacetilación. ... 22
2.4.9. Protonación. ... 22
2.4.10. Agente quelante. ... 22
2.4.11. Adsorción. ... 22
2.4.12. Adsorbato. ... 22
2.4.13. Adsorbente. ... 23
2.4.14. % de adsorción. ... 23
2.4.15. pH. ... 23
CAPÍTULO III ... 24
vii
3.1. Tipo de investigación. ... 24
3.2. Procedimientos. ... 24
3.2.1. Determinación de concentraciones de arsénico total en aguas subterráneas de la ciudad de Juliaca. ... 24
3.2.2. Determinación de cantidad optima de quitosano. ... 27
3.2.3. Determinación del tiempo de contacto óptimo. ... 29
3.2.4. Determinación del pH óptimo. ... 30
CAPÍTULO IV ... 31
ANÁLISIS Y CÁLCULOS ... 31
4.1. Diseño experimental factorial 𝟐𝟑. ... 31
4.1.1. Determinación de los parámetros y rangos. ... 31
4.1.2. Transformación de las variables. ... 32
4.1.3. Número de experimentos. ... 32
4.1.4. Matriz de diseño factorial 𝟐𝟑. ... 33
CAPÍTULO V ... 34
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 34
5.1. Determinación de las concentraciones de arsénico total en las aguas subterráneas de la ciudad de Juliaca. ... 34
5.2. Determinación de cantidad optima de quitosano. ... 35
viii
5.4. Determinación de pH óptimo. ... 40
5.6. Diseño experimental de la adsorción del arsénico total. ... 42
5.6.1. Análisis estadístico del diseño experimental de la eficiencia de remoción del arsénico total proveniente de aguas subterráneas por quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss), Juliaca. ... 43
4.5.2. Respuesta optimizada. ... 49
CONCLUSIONES ... 51
RECOMENDACIONES ... 53
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 54
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Estructura del quitosano ... 13
Figura 2: Estructura molecular del quitosano. ... 13
Figura 3: Reacción química entre el quitosano y el arsénico... 17
Figura 4: Puntos de ubicación del muestreo. ... 25
Figura 5: Proceso de obtención del quitosano. ... 28
Figura 6: Determinación de cantidad óptima de quitosano. ... 36
Figura 7: Efecto del tiempo de contacto en el (%A) de As total. ... 38
Figura 8: Efecto del pH en el (%A) del As total. ... 40
Figura 9: Diagrama Pareto estandarizado. ... 45
Figura 10: Efectos principales para la adsorción de arsénico total. ... 46
Figura 11: Interacción para adsorción de Arsénico total ... 47
Figura 12: Superficie de respuesta estimada ... 48
Figura 13: Contornos de la superficie de Respuesta Estimada. ... 48
Figura 14: Lavado y secado de las escamas(Oncorhynchus mykiss). ... 79
Figura 15: Pesado y almacenamiento de las escamas de trucha (Oncorhynchus mykiss). ... 79
Figura 16: Agitador acondicionado. ... 80
Figura 17: Despigmentación química de las escamas. ... 80
Figura 18: Reacciones químicas de despigmentación de las escamas de trucha (Oncorhynchus mykiss). ... 81
Figura 19: Medición de pH de la solución posterior a las reacciones químicas. ... 81
x Figura 21: Eliminación de humedad de las muestras. ... 82 Figura 22: Pesado del quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss). ... 83
Figura 23: Preparación de soluciones. ... 83 Figura 24: Tamizado del quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss). ... 84
Figura 25: Activación y secado del quitosano de escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss). ... 84
xi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Operacionalización de variables. ... 7
Tabla 2: Puntos de muestreo para la determinación de arsénico total en aguas subterráneas. 26 Tabla 3: Niveles de las variables independientes a estudiar. ... 31
Tabla 4: Variable respuesta (eficiencia de adsorción del As total). ... 32
Tabla 5: Transformación de variables. ... 32
Tabla 6: Matriz del diseño factorial 2 al 3. ... 33
Tabla 7: Determinación de As total. ... 34
Tabla 8: Determinación de cantidad óptima de quitosano. ... 36
Tabla 9: Efecto del tiempo de contacto en el (%A) del As total. ... 38
Tabla 10: Efecto del pH en el (%A) del As total. ... 40
Tabla 11: Resultados de la variable respuesta. ... 42
Tabla 12: Resumen del diseño de experimentos. ... 43
Tabla 13: Resumen de las bases del diseño de experimentos. ... 43
Tabla 14: Análisis de varianza para adsorción de arsénico total. ... 44
Tabla 15: Efectos estimados de la adsorción de Arsénico total (mg/l). ... 44
Tabla 16: Coeficiente de regresión del modelo ajustado. ... 47
Tabla 17: Predicciones del modelo usado. ... 49
Tabla 18: Resultados de variables óptimas. ... 50
Tabla 19: Camino máximo ascenso para la adsorción de arsénico total. ... 50
Tabla 20: Sub categoría A: aguas destinadas a la producción de agua potable ... 75
Tabla 21: Límites máximos permisibles de parámetros de calidad organoléptica. ... 76
xii
DEDICATORIA
Agradezco a Dios, por haberme permitido llegar hasta este punto, quien me ha acompañado en
mis alegrías y en mis tristezas dándome aliento y fortaleza para no desmayar y perseverar en el
cumplimiento de este reto, además de su infinita bondad y amor; a mi padre (+) Inocencio Vargas
Cano, a pesar de nuestra distancia física, siento que estás conmigo siempre, cuidándome y
guiándome desde el cielo; a mi madre Victoria Condori Ayarquispe por haberme apoyado en todo
momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una
persona de bien, pero más que nada, por su apoyo en mi formación profesional, a mis hermanas
Lidia Vargas Condori, Gladys Vargas Condori, Maritza Vargas Condori, Maryori Vargas Condori
xiii
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por permitirme tener y disfrutar a mi familia, gracias a mi familia por
apoyarme en cada decisión y proyecto gracias a la vida porque cada día me demuestra lo hermosa
que es la vida y lo justa que puede ser, gracias a mi mama por haberme apoyado siempre a cumplir
con excelencia mi tesis, gracias por creer en mí.
Expreso mi más sincero agradecimiento a MSc. Ingrid Maldonado Jiménez por su valiosa guía
y asesoramiento en la realización de la misma.
Hago especial mención de agradecimiento a mi hermano Ing. Dennis Alexander Vargas
Condori por sus consejos y por compartir conmigo sus conocimientos de la obtención de quitosano.
xiv
LISTA DE ABREVIATURAS
ADN Ácido desoxirribonucleico
%A Porcentaje de adsorción
Ci Concentración inicial
Cf Final del adsorbato
V Volumen de la solución
W Cantidad de adsorbente
MICB Nano partículas magnéticas impregnadas de bolas de quitosano
LISTA DE SIGLAS
OMS Organización mundial de la salud
DIGESA Dirección general de salud ambiental
MINAM Ministerio del medio ambiente
EPA Agencia de protección ambiental
ECA Estándar de calidad ambiental
LISTA DE SÍMBOLOS
Tn Toneladas
g Gramo
mg Miligramo
xv
LISTA DE FÓRMULAS QUÍMICAS
𝐻3𝐴𝑠𝑂4 Arsenato 𝐻3𝐴𝑠𝑂3 Arsenito
𝑀𝑀𝐴𝑉 Ácido metilarsónico 𝐷𝑀𝐴𝑉 Ácido dimetilarsínico 𝐴𝑠2𝑂3 Trioxido de arsénico NaOH Hidróxido de sodio
NaOCL Hipoclorito de sodio
HCL Ácido clorhídrico
NH2 Grupo amido
OH Grupo oxidrilo
SN2 Sustitución nucleofilica
pH Potencial de hidrogeno
xvi
RESUMEN
Ésta investigación tiene por objetivo determinar la eficiencia de remoción del arsénico total
proveniente de aguas subterráneas por quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris
(Oncorhynchus mykiss), la verificación de concentraciones de arsénico total en aguas
subterráneas se realizó un muestreo en las urbanizaciones ampliación San Isidro de Cacachi I
y II, se realizaron los ensayos de adsorción a condiciones de trabajo: volumen (150 ml),
cantidades de adsorbente entre (0.02 g a 3.62 g), pH a valores comprendidos entre (1.64 – 8.36
± 0,2), intervalos de tiempo de (3.07 minutos a 61.93 minutos), se analizaron las muestras a
través de espectrometría de emisión atómica (ICP – OES).
Se hallaron niveles de arsénico total de (0.007mg/l y 0.074 mg/l), en las urbanizaciones
ampliación San Isidro de Cacachi I y II respectivamente, posteriormente una vez realizado los
ensayos de adsorción, se calculó el (%A) para determinar las cantidades optimas de quitosano,
pH y tiempo de contacto, dando como resultado valores óptimos de cantidad de quitosano (1g),
tiempo de contacto (50 min) y pH (3) con los cuales se alcanzaron (%A) de 97.70%, 97.16 y
97.70 respectivamente.
xvii
ABSTRACT
This research aims to determine the removal efficiency of total arsenic from groundwater by
chitosan obtained from rainbow trout scales (Oncorhynchus mykiss), the verification of total
arsenic concentrations in groundwater was sampled in San Isidro de Cacachi I and II, the
adsorption tests were carried out at working conditions: volume (150 ml), adsorbent amounts
between (0.02 g to 3.62 g), pH at values between (1.64 - 8.36 ± 0.2), Time intervals from (3.07
minutes to 61.93 minutes), the samples were analyzed through atomic emission spectrometry (ICP
- OES).
Total arsenic levels were found (0.007 mg / l and 0.074 mg / l), in the San Isidro de Cacachi I
and II expansion urbanizations, respectively, after the adsorption tests were carried out, the (% A)
was calculated to determine the optimal amounts of chitosan, pH and contact time, resulting in
optimum values of chitosan amount (1g), contact time (50 min) and pH (3) with which they were
reached (% A) of 97.70%, 97.16 and 97.70 respectively.
xviii
INTRODUCCIÓN
“El arsénico es un componente excepcionalmente peligroso para los individuos debido a su alta
calidad venenosa en las fijaciones bajas y su límite de bioacumulación, que influye en las formas
de vida” (Mayorga, 2010, p. 3). “Se introduce en el medio a través de diferentes procesos como:
reacciones de meteorización, actividad biológica, emisiones volcánicas, minería del oro, fundición
de metales, refinación de petróleo, combustión de combustibles fósiles y el uso de pesticidas,
herbicidas arsenicales” (Smedley & Kinniburgh, 2002, p. 530).
Las estructuras más trascendentes en el agua son el arsenito (As III) y el arseniato (As V), en el
agua subterránea normalmente es el arsenito (As III) (Yamani et al,. 2012). “Entre los factores que
controlan los estados de oxidación del arsénico se encuentran: concentración, el pH, las químicas
(redox ) y el ambiente microbiológico” (Henke & Hutchison, 2009, p. 3).
La manifestación subyacente de las afecciones causadas por la ingestión de arsénico, es la
presencia de queratosis, decoloración de la piel, más tarde crea enfermedades y daño real al hígado
y riñón (Mayorga, 2010), se ha relacionado su exposición crónica por el consumo de agua para
bebida y preparación de alimentos (Osicka et al., 2000, p. 1).
“La variedad de enfermedades se debe a varias fijaciones y la naturaleza ionizada del arsénico,
considerado un veneno de sabor ligeramente azucarado, tiende a bioacumularse en el cuerpo, una
porción de 100 mg mata a una persona” (Majumdar & Mazumder, 2012, p. 12).
“Se estima que en la ciudad de Juliaca el 40% de la población consume agua subterránea de
manera directa, el cual se encuentra contaminada por diversos metales y metaloides” (Juan &
xix arsénico son tan altos como (0.193 mg / l), los mismos que exceden al límite establecido por la
OMS (0.01 mg/l ) (George et al., 2014).
“Por lo expuesto, es importante reducir los niveles de arsénico en aguas destinadas al consumo
humano, hasta la fecha se han empleado varias técnicas como adsorción, intercambio iónico,
filtración por membrana, coagulación y floculación entre otras” (Cheng et al., 2015, p. 3).
“Entre estos procedimientos, la adsorción es la estrategia menos compleja y más inteligente que
se utiliza generalmente en aplicaciones de remediación de agua debido a su adaptabilidad y bajo
costo de trabajo y gran competencia” (Flores et al., 2005, p. 19).
Investigaciones realizadas indican que el quitosano tiene un enorme potencial para eliminar
metales pesados en el agua, ya que tiene grupos funcionales amino e hidroxilo (Elson et al., 1980).
“Facilitando su retención, además de que posee un enorme potencial para la eliminación eficiente
debido a su fácil disponibilidad, biodegradabilidad, biocompatibilidad y no toxicidad presenta
bajos índices de costo” (Reddy & Lee, 2013, p. 69 y 202). Por lo expuesto se determinó la
eficiencia de remoción del arsénico total proveniente de las aguas subterráneas por quitosano de
1
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1. Análisis de la situación problemática
El arsénico elemento altamente tóxico para los seres vivos (Mandal & Suzuki, 2002). “La
contaminación del agua subterránea por arsénico está esencialmente conectada con dos tipos de
fuentes: (I) naturales (meteorización de rocas y emisiones volcánicas; (II) antropogénica
(extracción de oro, refinación, Creación y utilización de pesticidas, utilización de derivados del
petróleo” (Duker et al., 2005, pág. 638).
El arsénico es una de las 10 sustancias más peligrosas para el bienestar general (OMS, 2006).
"Su mayor riesgo es la utilización de agua contaminada para beber, preparación de alimentos”
(Bernex & Korswagen, 2014, pág. 14).
Las naciones de América Latina no han tenido la capacidad de lograr una inclusión total en
el suministro de agua y el saneamiento, el tema es cada vez más genuino en la calidad del
agua y la seguridad de los recursos hídricos. (Miranda et al,. 2010, pág. 510)
“En el Perú aproximadamente 4 500 000 personas están expuestas a altas concentraciones
de arsénico” (Medina et al., 2018, p 95). “De acuerdo a la ubicación geográfica, geológico local,
así como sus actividades, hay poblaciones mucho más expuestas que otra en la ciudad de Juliaca
se encontraron concentraciones de arsénico que fluctúan entre (0.15 mg/l a 0.255 mg/l)” (George
et al., 2014, pág. 567-570), los mismos que superan los (0.01 mg/l) establecidos por la (OMS,
2 “En la actualidad en la ciudad de Juliaca se tiene serias limitaciones para el abastecimiento de
agua potable, alrededor del 40% de la población no cuenta con el servicio de agua potable” (George
et al., 2014, pág. (pág. 567).
La falta de dotación se debería a que no hubo un pronóstico adecuado del crecimiento
poblacional al momento de la edificación de las diversas estructuras hidráulicas, debido a las
limitaciones en el suministro no es posible satisfacer las necesidades hídricas de esta
población, siendo la única manera de abastecerlos la implementación de sistemas de
abastecimiento independientes (Juan & Arpasi, 2015, p. 295).
A raíz de esto la población se ve en la necesidad de consumir agua subterránea de manera
directa sin ningún tipo de tratamiento. “Sin embargo, esta se encuentra contaminada por diversos
elementos tóxicos, metales y metaloides como es el caso del arsénico, la misma que al ser
consumida desencadenaría una serie de enfermedades y afecciones a la salud” (Cheng et al., 2015,
3 1.2. Planteamiento del problema.
1.2.1. Problema general.
¿Cuál es la eficiencia de remoción de arsénico total proveniente de aguas subterráneas por
quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss), Juliaca -
2017?
1.2.2. Problemas específicos
¿Cuál es la concentración de arsénico total en las aguas subterráneas de la ciudad de Juliaca,
2017?
¿Cuál es la cantidad adecuada de quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris
(Oncorhynchus mykiss), para remover el arsénico total en las aguas subterráneas, Juliaca -
2017?
¿Cuál será el tiempo de contacto óptimo entre el quitosano obtenido de las escamas de
trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) y las concentraciones de arsénico total de aguas
subterráneas, para su remoción Juliaca - 2017?
¿Cuál será el pH óptimo para remover las concentraciones de arsénico total de las aguas
subterráneas con quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus
4 1.3. Objetivos de la investigación
1.3.1. Objetivo general
Determinar la eficiencia de remoción del arsénico total proveniente de aguas
subterráneas por quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris
(Oncorhynchus mykiss), Juliaca – 2017
1.3.2. Objetivos específicos
Determinar las concentraciones de arsénico total en las aguas subterráneas de la
ciudad de Juliaca, 2017
Determinar la cantidad optima de quitosano obtenido de las escamas de trucha
arcoíris (Oncorhynchus mykiss) para remover el arsénico total proveniente de las
aguas subterráneas, Juliaca - 2017.
Determinar el tiempo de contacto óptimo entre el quitosano obtenido de las escamas
de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) y las concentraciones de arsénico total
proveniente de aguas subterráneas, para su remoción, Juliaca – 2017.
Determinar el pH óptimo para remover las concentraciones de arsénico total de las
aguas subterráneas con quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris
5 1.3.3. Justificación del estudio
En la actualidad, la falta de dotación de agua potable en la ciudad de Juliaca, promueve el
consumo directo de las aguas subterráneas, que contienen elementos tóxicos como el arsénico,
lo que argumenta la necesidad de eliminar o reducir los niveles de arsénico, para disminuir su
impacto en la salud pública. (Juan & Arpasi, 2015, p. 295)
Investigaciones realizadas indican que el quitosano tiene un enorme potencial para eliminar
metales pesados en el agua (Elson et al., 1980). “El departamento de Puno produce 35 mil Tn de
trucha arcoíris al año” (Ccopa, 2017, p. 86). Dichos residuos marinos han venido siendo
desaprovechados, razón por el cual en la presente investigación se reutilizarán a partir del
quitosano, con la finalidad de determinar su eficiencia y su viabilidad.
1.3.3.1. Justificación técnica
La adsorción de arsénico total con quitosano termina siendo un proceso no dañino, atractivo
para la naturaleza y muy adaptable, con una alta capacidad de expulsión, tarea simple y la
probabilidad de recuperación del adsorbente una vez que se agota su límite de adsorción. (Flores
et al., 2005, p. 19 y 20)
1.3.3.2. Justificación ambiental
El quitosano es un candidato con un gran potencial para tratar las aguas subterráneas
contaminadas con arsénico, mediante procesos de adsorción, ya que posee propiedades
biológicas únicas, entre las que se incluyen su alta capacidad de adsorción, su fácil
disponibilidad, biodegradabilidad, biocompatibilidad y no toxicidad. Además de que su
utilización, aportara a la reducción de residuos que vienen desaprovechándose y que suponen
6 1.4. Hipótesis
1.4.1. Hipótesis general
El quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss)
tiene una alta capacidad de remoción de arsénico total proveniente de aguas
subterráneas, Juliaca – 2017
1.4.2. Hipótesis específicas
Las concentraciones de arsénico total en la ciudad de Juliaca, son mayores a los
valores establecidos por el D.S-004-2017-MINAM
Cantidades mínimas de quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris
(Oncorhynchus mykiss), Pueden remover el arsénico total proveniente de las aguas
subterráneas, Juliaca - 2017
El tiempo de contacto menor a 1 hora de quitosano obtenido de las escamas de
trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) y arsénico total proveniente de aguas
subterráneas puede ser significativa para su remoción, Juliaca – 2017
En un pH con tendencia acida existe mejor remoción del arsénico total de las aguas
subterráneas con quitosano obtenido de las escamas de trucha arcoíris
7 1.4.3. Variables.
1.4.3.1. Variables independientes
Cantidad óptima de quitosano
Tiempo óptimo de contacto
pH óptimo
1.4.3.2. Variable dependiente
Eficiencia de remoción de arsénico proveniente de aguas subterráneas
1.4.4. Operacionalización de variables.
Se operacionalizo las variables independientes y dependientes para identificar: Dimensiones,
indicadores, índices e instrumentos.
Tabla 1: Operacionalización de variables.
8
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes del estudio.
Wang et al., (2014) en su investigación: “Preparación y evaluación de nano partículas
magnéticas impregnadas en bolas de quitosano para la eliminación de arsénico del agua”
tuvieron por objetivo determinar capacidad de adsorción de arsénico, tomando en cuenta para
su investigación… dosis de adsorbente, pH, tiempo, a condiciones de trabajo: solución de 100
ml, concentración inicial de arsénico (10.4 mg), 10 g de adsorbente, pH 6.8 y tiempo de
contacto de 24 horas con agitación constante de140 rpm… Obtuvo los porcentajes de adsorción:
48.85 % para una cantidad de quitosano de 10g, 51.92% para un pH de 6.8 y 53.85% para un
tiempo de contacto de 24 horas, respectivamente (…) El mejor resultado se obtuvo a un tiempo
de contacto de 24 horas, lo cual indica que las nano partículas impregnadas de en bolas de
quitosano tienen una adsorción de cinética lenta (p. 25-34).
Claudio & Manuel (2010) en su investigación: “Utilización de quitosano para la remoción de
arsénico (As) del agua” tuvieron como objetivo evaluar la eficiencia de remoción del quitosano
en perlas de gel para el arsénico en soluciones acuosas, tomando en cuenta para su investigación
las variables: pH y cantidad de quitosano en perlas de gel (…) Los experimentos de adsorción
se llevaron a cabo a condiciones de trabajo: volumen de 500 ml de solución, concentración
inicial de As de 0.128g, 0.250 g de quitosano en perlas de gel y pH 3, 5 y 7 Obtuvo (%A) de
87.6 % a pH; 3, 87% a pH 5 y 68.44% a pH 7; los mejores(%A) se dieron a pH de 5 a 7 (p.
9 Gupta et al., (2009) en su investigación: “Preparación y evaluación de materiales compuestos
de hierro – quitosano para la eliminación de As (III) y As (V) a partir de arsénico contaminado
en aguas subterráneas vida real” tuvieron por objetivo determinar la capacidad de remoción del
quitosano modificado con hierro para el As(III) y As(V), tomando en cuenta para su estudio las
variables: cantidad de adsorbente, pH y tiempo de contacto… Los experimentos de adsorción
se llevaron a cabo a condiciones de trabajo: volumen de 20 ml, concentración inicial de arsénico
de 10 mg, temperatura de 25°C, cantidad de adsorbente 0.1g, pH 7 y tiempo de contacto 4 horas
a agitación constante a 200 Rpm (…) Obtuvo una remoción de As (V) 97.5 % y una remoción
de As III 98.02 %, lo cual indica que el quitosano modificado con hierro es más eficiente para
remover As(III) proveniente de aguas subterráneas a un pH de 7 y tiempo de contacto de 4
horas”(p. 3865-3868).
Boddu et al., (2008) en su investigación: “La eliminación de arsénico (III) y arsénico (V) a
partir de medio acuoso usando bioadsorbente de quitosano recubierto de cerámica alúmina ”
tuvieron como objetivo “determinar la capacidad de adsorción para el arsénico (III) y arsénico
(V) por el quitosano recubierto de cerámica alúmina en soluciones acuosas, tomaron en cuenta
para su estudio las variables: cantidad de adsorbente, pH y tiempo de contacto… Los
experimentos de adsorción se llevaron a cabo a condiciones de trabajo: volumen de 120 ml de
solución de arsénico con una concentración inicial de 100 mg, cantidad de adsorbente 0.2 g, pH
4 y tiempo de contacto 24 horas (…) Obtuvo una remoción de As (V) de 71.6 % y una remoción
de As III de 69.6 %, alcanzó una mejor remoción para el As(V), siendo así que el quitosano
recubierto de cerámica alúmina es más eficiente para remover As(V) con 0.2g de adsorbente y
10 Westergren (2006) en su tesis: “Eliminación de arsénico mediante adsorción con quitosano”
tuvo como objetivo obtener una comprensión más profunda sobre la adsorción de arsénico en
quitosano para el futuro diseño de una tecnología de tratamiento de agua, utilizó quitosano de
cáscaras de camarón, tomo en cuenta las variables: cantidad de adsorbente, pH y tiempo de
contacto… Los experimentos de adsorción se llevaron a cabo a condiciones de trabajo: volumen
20 ml, concentración inicial 0.52 mg As, 0.5 g de quitosano, tiempo de contacto 1 hora y pH
5,5 con agitación constante a 200 rpm. (…) Obtuvo un porcentaje de adsorción del 40% de
adsorción, lo cual indica que el quitosano en polvo obtenido de las cascaras de camarón blanco
no tiene una alta eficiencia de eliminación del As lo cual se debería al grado de desacetilación
del quitosano obtenido, ya que esta característica es fundamental a la hora de la adsorción de
metales (p. 35 y 36).
George et al., (2014) en su investigación: “la exposición al arsénico en el agua potable: una
amenaza para la salud no reconocida en Perú ” tuvo por objetivo evaluar el grado de
contaminación con arsénico en aguas subterráneas y superficiales del Perú, para lo cual recogió
151 muestras de agua pertenecientes a 12 distritos del Perú entre ellos los distritos de Juliaca
y Caracoto, el análisis de las muestras se realizaron por espectrometría de masas con plasma
inductivamente acoplado (ICP - MS) (…) Encontraron valores elevados para el departamento
de puno en el 96 % de muestras analizadas, las concentraciones de arsénico que oscilan entre
(0.0001mg/l a 0.193 mg/l), las mismas que superan los (0.01 mg/l) valores establecidos por la
(OMS, DIGESA y MINAM), concretamente en la ciudad de Juliaca encontraron las más altas
concentraciones de arsénico, en el sector Néstor Cáceres Velásquez en 27 pozos encontraron
concentraciones de arsénico que oscilan entre (0.052 mg/l a 0.255 mg/l), en el sector Taparachi
11 y en el sector de palca pampa encontraron en 1 pozo una concentración de (0.15mg/l) (p.
567-570).
2.2. Bases teóricas.
2.2.1. Arsénico y sus especies.
“El arsénico es un metaloide, pero se denomina metal pesado independientemente de su masa
atómica debido a su toxicidad a baja exposición” (Tchounwou et al., 2014, pág. 24).
Las especies químicas más probables de encontrar en medios naturales son el As inorgánico
en forma de oxianiones, en sus estados de oxidación As (III), formando arsenito 𝐻3𝐴𝑠𝑂3 y As (V) formando arsenato 𝐻3𝐴𝑠𝑂4 mientras que las especies orgánicas, ácidos metilarsónico (𝑀𝑀𝐴𝑉) y dimetilarsínico (𝐷𝑀𝐴𝑉) tienen una ocurrencia mucho más baja. (Day, 2006, p. 79) Bajo condiciones oxidantes persiste el 𝐻3𝐴𝑠𝑂4 (arsenato), en condiciones reductoras, está
presente como 𝐻3𝐴𝑠𝑂3 (arsenito) (Lillo & Gemm, 2008, p. 10).
2.2.1.3. Arsénico en aguas subterráneas
“El arsénico se filtra en aguas subterráneas en forma de arsenito (III) y arsenato (V) a través
de erosión de rocas, emisiones volcánicas, actividades biológicas y reacciones geoquímicas”
(Fan et al,. 2017, p. 3). “En aguas subterráneas su disponibilidad depende del contenido de
arsénico, la forma y el pH del medio en el que encuentra” (Smedley & Kinniburgh, 2002, p. 520).
2.2.1.4. Efectos del arsénico sobre la salud.
El arsénico es una de las 10 sustancias químicas que la (OMS) considera más preocupantes
12 para los individuos debido a su alta calidad venenosa en las fijaciones bajas y su límite de
bioacumulación, que influye en las formas de vida” (Mayorga-Moreno, 2010, p. 3)
El arsénico (III) es más tóxico que el arsénico (V), debido a que se une con más facilidad a los
grupos sulfidrilo de las proteínas en el organismo de un ser vivo el mecanismo de toxicidad del
As (III) sufre probablemente un proceso de metilación, originando productos altamente
reactivos que afectan al ADN. (Guha & Dasgupta, 2011, pp. 3862–3870)
La manifestación subyacente de las afecciones causadas por la ingestión de arsénico, es la
presencia de queratosis, decoloración de la piel, más tarde crea enfermedades y daño real al
hígado y riñón (Mayorga, 2010), se ha relacionado su exposición crónica por el consumo de
agua para bebida y preparación de alimentos. (Osicka et al., 2000, p. 1)
“La variedad de enfermedades se debe a varias fijaciones y la naturaleza ionizada del arsénico,
considerado un veneno de sabor ligeramente azucarado, tiende a bioacumularse en el cuerpo, una
porción de 100 mg mata a una persona” (Majumdar & Mazumder, 2012, p. 12)
2.2.2. Quitosano.
“El quitosano es un polímero obtenido de la quitina (el segundo polímero regular sin fondo),
que se encuentra en el exoesqueleto de numerosos mariscos y bichos, en la masa celular de algunos
crecimientos, protozoos y moluscos” (Balanta et al,. 2010, p. 299-315).
El quitosano se obtiene por desacetilación de la quitina, generalmente mediante una hidrólisis
en condiciones alcalinas (…) La estructura del quitosano consiste en unidades D-glucosamina
y N- acetilglucosamina (debido a una incompleta desacetilación de la quitina) conectados vía
enlaces glicosídicos, que conforman una estructura lineal y/o helicoidal, donde las unidades
D-glucosamina y N- acetilD-glucosamina se encuentran distribuidas al azar. (Mourya et al., 2010, p.
13 Figura 1: Estructura del quitosano
Fuente: Mourya et al., 2010.
El quitosano es representado por su alto contenido de grupos amino (NH2), accesible para varias
respuestas sintéticas y grupos razonables de hidroxilo (OH) para dar forma a las subsidiarias;
Así que el quitosano coopera con los aniones y es un quelante específico de las partículas
metálicas. (Rudy et al,. 2015, p. 530), ver figura 2.
Figura 2: Estructura molecular del quitosano.
Fuente: Mourya et al,. 2010.
2.2.2.1. Características fisicoquímicas del quitosano.
El quitosano es un policatión característico, cuyo espesor de carga se ve afectado
específicamente por el nivel de desacetilación y el pH, se puede disolver en un medio corrosivo,
debido a la protonación de los grupos amino y su estructura cristalina depende del tipo de
14
a. Solubilidad.
El quitosano es comúnmente soluble en medio ácido, sin embargo, mientras se comunica con
varias especies y enmarca los polielectrolitos, la capacidad de disolución de estos se basa en el
nivel de desacetilación, su peso molecular, la naturaleza del anión incluido y, a veces, la
temperatura, por lo que la solvencia Del quitosano se desplaza a diversas condiciones o medios.
(Rieux et al,. 2011, p. 40)
b. Grado de desacetilación.
El grado de desacetilación articula la sustancia de las concentraciones de amino en la estructura
del quitosano, que se logra al perder el acetilo de la amida del carbono 2 de la estructura de la
quitina (...) El procedimiento de desacetilación se da por una hidrólisis alcalina que causa las
respuestas de sustitución nucleofilica SN2 (...), donde los factores, temperatura, la convergencia
de la base, el tiempo y la agitación durante la reacción, cambian la dimensión de la evacuación
de las concentraciones de acetilo, luego alcanzan diversos grados de desacetilación del
quitosano. (Balanta et al., 2010, pp. 299-315)
2.2.3. Extracción del quitosano por desacetilación de la quitina, mediante el método químico heterogéneo
Acondicionamiento de la materia prima.
Las escamas de la trucha arco iris deberán se ser lavadas, clasificadas y secadas. Los lavados
deben realizarse con abundante agua para eliminar los restos de sangre, carne, huesos, tripas, y
huevecillos que estuvieran presente en las escamas como producto del raspado de las truchas,
15 rayos del sol durante 36 horas a temperatura ambiente, con el propósito de eliminar toda la
humedad posible. (Vargas, 2016, p. 70)
Despigmentación química o decoloración
La escama, deberá ser sometida a un proceso de despigmentación química, para la
despigmentación se utilizará una relación 1:10 (g de harina por ml de disolvente) (…), se
pesarán 50 gr en 500 ml de Hipoclorito de sodio (NaOCl), sometiéndose la mezcla a un proceso
de agitación continua por un tiempo de 30 minutos a temperatura ambiente, posteriormente se
procederá a lavar con abundante agua destilada, filtrar y finalmente a secar en la mufla a 70ºC
por un tiempo de 4 horas. (Cocoletzi et al., 2009, p. 57-60)
Desproteinización
La escama depigmentada se pesa y colocara en un recipiente, con una solución de hidróxido de
sodio NaOH 4.5% (p/v) en una relación de 1:10 (g de solido por ml de solución), con agitación
constante por un tiempo de 3 horas, a temperatura ambiente (…) Por medio de filtración realizar
el lavado del producto obtenido con agua destilada hasta alcanzar la neutralidad eliminando el
exceso de base utilizada en el proceso, finalmente llevar a la mufla para poder retirar la humedad
de la materia desproteinizada. (Cocoletzi et al., 2009, p. 57-60)
Desmineralización
La materia desproteinizada se somete a desmineralización haciendo uso de un tratamiento con
ácido clorhídrico 0.01N en una relación de 1:10 (g de solido por ml de solución), durante 3
16 a filtrar y lavar con agua destilada hasta alcanzar un pH neutro. La materia desmineralizada una
vez neutralizada se lleva a la mufla a 70ºC por un tiempo de 4 horas. (Vargas, 2016, p. 70)
Desacetilación de la quitina u obtención del quitosano
La quitina desmineralizada se pesa y coloca en un recipiente, con una solución de hidróxido de
sodio NaOH 35% (p/v) en una relación de 1:10 (g de solido por ml de solución), con agitación
constante por un tiempo de 3 horas, a temperatura ambiente. Por medio de filtración se realiza
el lavado del producto obtenido con agua destilada hasta alcanzar la neutralidad eliminando el
exceso de base utilizada en el proceso, finalmente se lleva a la mufla para poder retirar la
humedad de la materia desacetilizada. (Vargas, 2016, p. 70)
Activación.
El quitosano obtenido de la operación anterior deberá ser mantenido en solución ácida de HCL
0,1 M, realizar operaciones de decantado lavado, filtrado y secado (…) Activación ácida en una
relación de 5 ml de HCL 0,1 M por gramo de quitosano, mantener en contacto durante 24 horas
a temperatura ambiente, decantación, lavado, filtrado y secado. (Valbuena et al., 2015, p. 998
y 999).
2.2.4. Uso del quitosano para la eliminación de metales en las aguas.
“Hasta ahora se aplican, diferentes métodos de tratamiento para eliminar los contaminantes
dentro de los que se incluyen la coagulación, oxidación, precipitación, intercambio iónico,
adsorción, nanofiltración, ósmosis inversa, biorremediación, extracción con disolventes” (Crini &
Badot, 2008, p. 420).
“El quitosano es considerado un adsorbente ideal para la eliminación de iones de metales
17 tamaño, estabilidad mecánica, compatibilidad, facilidad de acceso, facilidad regeneración y su
rentabilidad” (Markovi et al,. 2015, p. 8).
“La estructura del quitosano se determina por la presencia de grupos funcionales amino e
hidroxilo, que se encargan de enmarcar un enlace covalente organizado con partículas metálicas,
y el adsorbente” (Claudio & Manuel, 2010, p. 136-139).
A continuación, se muestra la reacción química entre el arsénico y el quitosano.
Figura 3: Reacción química entre el quitosano y el arsénico.
18 2.2.5. Adsorción.
“Es un procedimiento de partición mediante el cual ciertos componentes de una etapa líquida
(fluido o gas) se intercambian a un sustrato fuerte que se une física y artificialmente a la superficie
del adsorbente” (Villaescusa, 2004, p. 998 - 999).
La adsorción termina siendo un proceso no dañino, benevolente para la tierra y muy flexible
como estrategia para purgar efluentes con bajos niveles de metales pesados (...) Las diferentes
preferencias que esta estrategia muestra en correlación con otras es la alta capacidad de
remoción, la simplicidad de la actividad y la perspectiva de recobro del adsorbente una vez que
su límite de adsorción se ha acabado. (Daniel et al., 2006, p. 80)
En la adsorción intervienen el adsorbente y el adsorbato:
Adsorbente: es el material sobre el cual se acumula la sustancia.
Adsorbato: es la sustancia que se concentra en la superficie.
“El porcentaje de adsorción se puede expresar a través de la capacidad del % de adsorción
(%A), que relaciona la cantidad de adsorbato inicial con la medida de adsorbato removido, por la
distinción de la concentración antes y después de la adsorción (Ecuación 1)” (Hu & Ashim, 2001,
p. 300).
%𝐴 =(𝐶𝑖−𝐶𝑓)
𝐶𝑖 ∗ 100 ………Ecuación 1 Donde:
%A: porcentaje de adsorción (%)
19 2.2.6. Principales factores que afectan al proceso de adsorción.
2.2.6.1. Influencia de la cantidad de adsorbente.
El uso de un adsorbente derivado de la quitina es ideal para la eliminación de iones de metales
pesados, posee las siguientes propiedades: gran área superficial y alta capacidad de adsorción,
tamaño y volumen de poro adecuados, facilidad de acceso, facilidad de regeneración y
rentabilidad. (Markovi et al., 2015, p. 8)
“Este proceso es directamente proporcional a la cantidad de adsorbente empleado, para extender
las interacciones entre los iones metálicos y los sitios activos de adsorción del adsorbente, es
necesario una dosificación óptima del adsorbente” (Wang et al,.2014, p. 25-34).
“Un aumento de la dosis de los adsorbentes puede multiplicar el número de sitios activos de
adsorción disponibles, lo que conduce a la elevación de la eficacia de eliminación” (Zou et al.,
2011, p. 118).
2.2.6.2. Influencia del pH.
La estimación del pH de la etapa del fluido es el factor más vital en la adsorción, en medio del
procedimiento de adsorción, el pH de la disposición es uno de los factores que influyen en la
eficiencia de la adsorción, debido a que este proceso depende del pH del medio (capacidad de
ionizarse). (Litter et al., 2009, p. 12)
“Algunos adsorbentes incrementan su eficiencia de adsorción a pH ácidos y otros
disminuyen a pH alcalinos, considerando además con el aumento del pH, la carga superficial
del adsorbente se vuelve menos positiva, resultando una débil interacción entre el adsorbente y
20
2.2.6.3. Influencia del tiempo de contacto.
"La evaluación del tiempo de contacto es importante para lograr el equilibrio, como un
emprendimiento inicial para la investigación de cinética de adsorción de metales, es importante
ya que concluye a establecer la naturaleza del procedimiento" (Volesky, 2003, p. 186).
2.2.6.4. Presencia de otros metales.
“Teniendo en cuenta la complejidad de la fuente de agua, las presencias de otros iones podrían
disputar con el arsénico por sitios activos y en gran medida disminuir la eficiencia de remoción
del arsénico por el adsorbente” (Wang et al., 2014, p. 25-34).
2.2.7. Espectrometría de emisión atómica ICP – OES.
Se compone de una corriente de gas de argón ionizado mediante el uso de un campo de
radiofrecuencia oscilante programado a 27.1MHz (...) Este campo está acoplado a un gas
ionizado inductivamente por un rizo enfriado por agua que abarca una luz de cuarzo que
refuerza y afirma el plasma (...) En Se creó un nebulizador y una cámara de ducha. Se creó un
vaporizado a partir del ejemplo que lleva el plasma a través de un tubo inyector. Se colocó el
interior de la luz. Provocó una separación de los atributos de las conexiones de información. El
fervor de conexiones disminuyó. (EPA, 1994, pág. 25).
2.3. Marco normativo.
En Perú mediante el D.S-004-2017-MINAM, se aprueban los estándares de calidad (ECA) y
valores referenciales a la subcategoría A para aguas superficiales destinado al consumo de agua
21 ser potabilizadas con el tratamiento convencional y 0.15 mg/l para aguas que pueden ser
potabilizadas con tratamiento avanzado. (MINAM, 2017, p. 8), ver anexo 4
2.4. Conceptual.
En este apartado se desarrollan los conceptos que ayudan al desarrollo y mejor entendimiento
del estudio.
2.4.1. Aguas subterráneas.
“Es la que se halla bajo la superficie terrestre y irrumpe los poros y las grietas de las rocas
más macizas” (Mayorga, 2010, p. 3).
2.4.2. Arsénico.
“El arsénico es un metaloide, pero se denomina metal pesado independientemente de su
masa atómica debido a su toxicidad a baja exposición” (Tchounwou et al., 2014, p. 24).
2.4.3. Quitosano.
“Es un polímero procedente de la quitina, se identifica por su alto contenido de grupos
amino (NH2) y grupos hidroxilo (OH), ” (Balanta et al., 2010, p. 301).
2.4.4. Grupos funcionales.
“Es el conjunto de partículas, conectadas que presentan una estructura y propiedades
físico-químicas que describen los exacerbados naturales que las contienen” (Kartal & Imamura, 2005,
pág. 393).
2.4.5. Grupo amino.
“Es un grupo funcional obtenida del amoníaco o alguno de sus derivados alquilados por
eliminación de una de sus partículas de hidrógeno, se expresa en –NH2” (Kartal & Imamura,
22 2.4.6. Grupo oxidrilo.
“Grupo funcional formado por un molécula de oxígeno y de hidrógeno, representativo de los
alcoholes, fenoles y ácidos carboxílicos entre otros compuestos orgánicos, se expresa OH” (Kartal
& Imamura, 2005, pág. 393)
2.4.7. Sitios activos
Indica la sustancia de grupos amino en la estructura molecular del quitosano (Cocoletzi et al.,
2009).
2.4.8. Grado de desacetilación.
“Expresa el contenido de grupos amino en la estructura del quitosano” (Cocoletzi et al., 2009,
pág. 58).
2.4.9. Protonación.
Es la adición de un protón (H^+) a una molécula, átomo o ion (Flores et al., 2005).
2.4.10. Agente quelante.
“Es una sustancia que da formas de complejos fuertes con iones de metales pesados. A estos
complejos se los da a conocer como quelatos, y generalmente previenen que puedan reaccionar
estos metales pesados” (Volesky, 2003, pág. 186).
2.4.11. Adsorción.
“Es el procedimiento de separación mediante el cual ciertos componentes de un fluido (líquida
o gaseosa), llegan a ser transferidos a un sustrato sólido permaneciendo química y físicamente
adheridos a la superficie del adsorbente” (Villaescusa, 2004, pág. 998).
2.4.12. Adsorbato.
23 2.4.13. Adsorbente.
Material sobre el cual se acumula la sustancia (Hu & Ashim, 2001).
2.4.14. % de adsorción.
Mide la cantidad removida de adsorbato mediante la diferencia de las concentraciones antes y
posterior a la adsorción (Hu & Ashim, 2001).
2.4.15. pH.
Con el pH se determina cual es la cantidad de iones de hidrógeno que contiene una solución
24
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.
3.1. Tipo de investigación.
La presente investigación es de tipo cuantitativa experimental (Meléndrez, 2006), ya que se
provee de un método lógico que indica las condiciones preestablecidas de un tema conocido, pero
muy poco aplicado en nuestra región, con el objetivo principal de presentar una alternativa de
tratamiento a las aguas subterráneas con un contenido alto de arsénico total (Montgomery, 2004).
3.2. Procedimientos.
En este apartado se dan a conocer los pasos seguidos para la determinación de cantidad óptima
de quitosano, tiempo de contacto óptimo y pH óptimo para remover de manera eficiente las
concentraciones de arsénico total en aguas subterráneas de la ciudad de Juliaca a través de figuras
y tablas y el desarrollo de los mismos.
3.2.1. Determinación de concentraciones de arsénico total en aguas subterráneas de la ciudad de Juliaca.
Para la determinación de concentraciones de arsénico total de las aguas subterráneas de la
ciudad de Juliaca, se siguieron una serie de pasos, los mismos que fueron desarrollados de la
siguiente manera: zonificación de puntos de muestreo, muestreo de agua y determinación de
25
3.2.1.1. Zonificación de puntos de muestreo.
Para el estudio se ha zonificado con el criterio no probabilístico por conveniencia (Jos,
2012). Para lo cual se escogieron las urbanizaciones cuya dotación de agua potable es nula y en
donde la población se ve en la necesidad de consumir agua subterránea de manera directa, para
la determinación de las concentraciones de arsénico total se escogieron 2 puntos de muestreo
pertenecientes a dos pozos de las Urbanizaciones (Ampliación San Isidro de Cacachi I y II de
la ciudad de Juliaca), ver figura 4 y anexo 3.
Figura 4: Puntos de ubicación del muestreo.
26 A continuación, se expone la zonificación de los puntos de muestreo para la determinación del
arsénico total en aguas subterráneas en la ciudad de Juliaca, ver tabla 2.
Tabla 2: Puntos de muestreo para la determinación de arsénico total en aguas subterráneas.
Fuente: Elaboración propia.
3.2.1.2. Muestreo de agua.
En el muestreo para la recolección de la muestra se tomaron los pasos recomendados por
(Litter et al., 2009).
Se limpiaron los frascos y demás materiales de recolección.
Se tomo un volumen suficiente de muestra para eventuales necesidades de
repeticiones.
Se realización de todas las determinaciones de campo, tales como pH y conductividad.
Los frascos fueron llenados completamente para después ser mantenidas fuera del
alcance de la luz solar.
se preservaron las muestras con hielo inmediatamente después de la recolección.
27
3.2.1.3. Determinación de concentraciones de arsénico total en aguas subterráneas.
La determinación de arsénico total en aguas subterráneas de la ciudad de Juliaca se realizó
a través del método de ensayo 796 EPA 200.7 determinación de metales y elementos traza y
aguas residuales por ICP – OES.
3.2.2. Determinación de cantidad optima de quitosano.
Para la determinación de la cantidad optima de quitosano se siguieron los siguientes pasos:
obtención de quitosano (adsorbente), activación de adsorbente y determinación de cantidad
óptima de quitosano, finalmente se realizó el análisis de datos.
3.2.2.1. Materia prima utilizada.
La materia prima utilizada fueron las escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss).
La cual proviene del departamento de Puno, fue recolectada del mercado Manco Capac de la
ciudad de Juliaca. Fueron lavadas y clasificadas, secadas. Para luego ser procesadas para la
obtención del quitosano. A continuación, se describen los materiales de laboratorio, equipos y
reactivos utilizados para la obtención del quitosano.
Materiales de laboratorio: Vasos precipitados (100 ml, 250 ml y 1000 ml), matraces
Erlenmeyer (100 ml,250 ml y 1000 ml), fiolas (100 ml y 1000 ml), pipetas (5ml y 10
ml), probetas (50 ml, 100 ml y 500 ml), embudos de vidrio, soporte universal, placas
Petri, pinza y mortero y maso de porcelana.
Equipos: Balanza analítica, bomba de vacío (Marca: GAST, Modelo:
DOA-P504-BN), juego de tamices (Marca: ELE INTERNATIONAL, Modelo: ASTM E-11),
28 HACH, Modelo: HQ 40d), agitador magnético (Marca: AGIMATIC-ED, Modelo N°
70001511).
Reactivos: Agua destilada, ácido clorhídrico Qp, HCl, hidróxido de sodio Qp, NaOH,
hipoclorito de sodio NaClO, ácido sulfúrico 𝐻2𝑆𝑂4.
3.2.2.2. Obtención del quitosano.
Para la obtención del quitosano (adsorbente) por el método químico heterogéneo, se siguió el
procedimiento sugerido por (Vargas, 2016) descrita en el capítulo II apartado 2.2.3. Para su
posterior uso como adsorbente para la remoción de arsénico total de las aguas subterráneas de
la ciudad de Juliaca, ver figura 5.
Figura 5: Proceso de obtención del quitosano.
29
3.2.2.3. Activación del adsorbente.
Para la activación del quitosano que se obtuvo de la operación anterior se mantuvo en
solución ácida de HCL 0,1 M y se realizaron las operaciones de decantado lavado, filtrado y
secado tal y como recomienda (Valbuena et al ,. 2015).
3.2.2.4. Determinación de la cantidad óptima de quitosano.
Se examinó la consecuencia de la cantidad del adsorbente para establecer la cantidad óptima
necesaria para alcanzar el mayor porcentaje de adsorción. Se colocaron 7 matraces de
Erlenmeyer con un volumen de 150 ml de agua subterránea de la ciudad de Juliaca perteneciente
a la urbanización San Isidro de Cacachi I, con una concentración de arsénico total (0.074 mg/l),
para condiciones de trabajo: cantidad de quitosano entre (0.02 g a 3.62 g), pH 5, tiempo de
contacto 30 minutos a temperatura ambiente y agitación constante de 600 rpm. El contenido de
cada matraz se filtró y analizo a través del método de ensayo 796 EPA 200.7 por ICP – OES.
3.2.3. Determinación del tiempo de contacto óptimo.
Se analizó la consecuencia del tiempo de contacto, para establecer el tiempo óptimo
preciso para alcanzar el mayor porcentaje de adsorción. Se colocaron 6 matraces Erlenmeyer
con un volumen de150 ml de agua subterránea de la ciudad de Juliaca de la urbanización San
Isidro de Cacachi I, con una concentración de (0.074 mg/l), para condiciones de trabajo:
tiempos de contacto (3.07 minutos a 61.93 minutos), cantidad de quitosano 0.3 g y pH 5 a
temperatura ambiente y agitación constante de 600 rpm. El contenido de cada matraz se filtró
30 3.2.4. Determinación del pH óptimo.
Se calculó la consecuencia del pH en la eficiencia de adsorción de As total, debido a que
la eficiencia de este proceso depende del pH para determinar el valor óptimo se ajustó con HCl
y NaOH según conveniencia. Se colocaron 5 matraces Erlenmeyer con un volumen de150 ml
de agua subterránea de la ciudad de Juliaca de la urbanización San Isidro de Cacachi I, con una
concentración de 0.074 mg/l), para condiciones de trabajo: pH (1.64 a 8.36), cantidad de
quitosano 0.3g y tiempo de contacto 30 minutos a temperatura ambiente y agitación constante
de 600 rpm. El contenido de cada matraz se filtró y analizo a través del método de ensayo 796
31
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS Y CÁLCULOS
4.1. Diseño experimental factorial 𝟐𝟑.
El diseño experimental factorial 23 es de segundo orden, considera las variables
independientes: Cantidad de adsorbente (g), pH y tiempo de contacto, este diseño forma un
cuadrado, en la práctica requieren de 2 niveles en cada factor para la estimación del error
experimental (Montgomery, 2004).
4.1.1. Determinación de los parámetros y rangos.
Se realizó la distribución de niveles mínimo y máximo para cada variable independiente a
estudiar, ver tabla 3.
Tabla 3: Niveles de las variables independientes a estudiar.
Fuente: Elaboración propia.
La variable respuesta o la de salida (eficiencia de adsorción del arsénico total), es la que depende
32 Tabla 4: Variable respuesta (eficiencia de adsorción del As total).
Fuente: Elaboración propia
4.1.2. Transformación de las variables.
Se transformaron las variables independientes, sus niveles mínimo y máximo por variables
codificadas según la metodología sugerida por (Montgomery, 2004). A continuación, ver
tabla 5.
Tabla 5: Transformación de variables.
Fuente: Elaboración propia.
Se observa la transformación de las variables por variables codificadas: cantidad de
adsorbente 0.02 (-1), 0.3 (+1); pH 3 (-1), 5 (+1); tiempo de contacto 15 (-1), 30 (+1). Las
mismas que fueron reemplazadas en la matriz del diseño factorial 2 al 3.
4.1.3. Número de experimentos.
El número de experimentos se calculó según la metodología propuesta por (Montgomery,
33 experimentos, K es el número de factores, remplazando la ecuación, obtenemos como resultado
8 experimentos y 8 experimentos adicionales de la réplica del diseño, el mismo que fue utilizado
para la obtención de resultados confiables para el presente investigación.
4.1.4. Matriz de diseño factorial 𝟐𝟑.
Se colocaron en 8 matraces Erlenmeyer, para condiciones de trabajo: volumen de 150 ml,
concentración inicial de (0.074 mg/l) de arsénico total, cantidad de quitosano (0.02 gr y 0.3 gr),
pH (3 y 5) y tiempo de contacto (15 min y 30 min) a continuación, se muestra la distribución de
variables codificadas donde: Xo, X1 (cantidad de quitosano), X2 (pH) y X3 (tiempo de contacto),
ver tabla 6.
Tabla 6: Matriz del diseño factorial 2 al 3.
34
CAPÍTULO V
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este capítulo se dan a conocer los resultados obtenidos del capítulo anterior, a través de
tablas y figuras, la interpretación de los mismos y la discusión basada en el marco teórico y en los
antecedentes de este trabajo. La misma que se realizó de acuerdo a los objetivos planteados:
determinación de concentraciones de arsénico total en las aguas subterráneas de la ciudad de
Juliaca, determinación de cantidad óptima de quitosano, determinación de tiempo de contacto
óptimo, determinar el pH óptimo y análisis estadístico del diseño experimental de la eficiencia de
remoción del arsénico total proveniente de aguas subterráneas por quitosano obtenido de las
escamas de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss), Juliaca.
5.1. Determinación de las concentraciones de arsénico total en las aguas subterráneas de la ciudad de Juliaca.
Se determinó la concentración de arsénico total de las 2 muestras recolectadas de aguas
subterráneas de las urbanizaciones Ampliación San Isidro de Cacachi I y II. ver anexo 2 y tabla 8.
Tabla 7: Determinación de As total.
35 Para el primer punto se encontró una concentración de arsénico total de 0.006 mg/l, para el
segundo punto se encontró una concentración de arsénico total de 0.074 mg/l, este último contiene
hasta 6 veces más del límite recomendado de (0.010 mg/l) por la (OMS, DIGESA y MINAM) de
manera similar George et al., 2014, encontraron valores altos en el 96 % de muestras
pertenecientes a aguas subterráneas de la ciudad de Juliaca, en los sectores: Néstor Cáceres
Velásquez en 27 pozos hallaron concentraciones de arsénico que fluctúan entre (0.052 mg/l a 0.255
mg/l), Taparachi en 48 pozos hallaron concentraciones de arsénico en un nivel de (0.062 mg/l a
0.193 mg/l) y Palca Pampa encontraron en 1 pozo una concentración de (0.15mg/l). Las mismas
que superan los (0.01 mg/l) establecidos por la (OMS, DIGESA y MINAM), para agua potable
con tratamiento convencional.
La presencia de dichas concentraciones podría estar directamente relacionada con el
volcanismo terciario y cuaternario, emancipación desde el período sólido, prodigios de transporte,
cambio a otros medios y la profundidad de la cual es captada, ya que esta depende de las
condiciones redox del medio y el pH.
5.2. Determinación de cantidad optima de quitosano.
Se realizaron los ensayos a condiciones de trabajo: volumen de 150 ml, concentración inicial
de (0.074 mg/l) arsénico total, cantidad de quitosano entre (0.02 g a 3.62 g), pH (5), tiempo de
contacto (30 minutos) temperatura ambiente y agitación constante de 600 rpm, ver tabla 8 y la
36 Tabla 8: Determinación de cantidad óptima de quitosano.
Fuente: elaboración propia.
Figura 6: Determinación de cantidad óptima de quitosano.
37 Se observa que el (%A) es concisamente proporcionada a la cantidad de adsorbente, ya que se
obtuvo mayores (%A) a partir de 0.32 g con un (%A) de (91.35 %) hasta 3g con un (%A) de (98.38
%), a partir de 3g el (%A) se empieza a tornar estable. Sin embargo la cantidad optima de quitosano
es de 1g con un (%A) de 97.16%, debido a que se observa una variación mínima en los (%A) a
partir de dicho punto, mientras tanto Claudio & Manuel (2010), reportaron un menor porcentaje
de adsorción de 87.6 % empleando una cantidad de 0.25 g de quitosano en perlas de gel, de manera
similar Boddu et al., (2008) consiguieron un menor porcentaje de adsorción de 71.6% con una
cantidad de 0.2 g de quitosano recubierto de cerámica alúmina, no obstante Westergren (2006)
obtuvo el menor porcentaje de adsorción de 40% con una cantidad de 0.5 g de quitosano de las
cascaras del camarón.
La varianza de los (%A) puede ser debido a que en esta investigación se utilizó cantidades de
adsorbente mayores a diferencia de Claudio & Manuel (2010), Boddu et al., (2008) y Westergren
(2006), sin embargo los (% A) alcanzados por el quitosano de escamas de trucha, son altos lo cual
muestra la eficiencia de adsorción del quitosano en polvo obtenido de la trucha a diferencia del
quitosano modificado usado por los autores mencionados, cuyo proceso de obtención es más
complejo, esto se debería a que el quitosano modificado puede expandir sus centros activos y a la
misma vez su capacidad de adsorción, sin embargo los resultados obtenidos son significativamente
altos y casi similares a los autores mencionados, a pesar de haberse trabajado con un quitosano en
polvo, lo cual resalta el beneficio del quitosano de escamas de trucha, como uso de adsorbente ya
que tiene una alta eficiencia de remoción para el arsénico total con cantidades mínimas similares
al quitosano en perlas de gel. Los mismos que reducen los niveles de arsénico total por debajo de
38 5.3. Determinación de tiempo de contacto óptimo.
Se realizaron los ensayos a condiciones de trabajo: volumen de 150 ml, tiempo de contacto
que oscilan entre (3.07 min a 61.93 min), concentración inicial de As total (0.074 mg/l), a
temperatura ambiente con agitación constante de 600 rpm, ver tabla 9 y la figura 7.
Tabla 9: Efecto del tiempo de contacto en el (%A) del As total.
Fuente: elaboración propia
Figura 7: Efecto del tiempo de contacto en el (%A) de As total.
39 La eficiencia de adsorción de As total frente a diferentes tiempos de contacto, evidencian que
la adsorción se incrementa a tiempos de contacto mayores de 30 minutos, después de los 50
minutos la eficiencia de adsorción no se incrementa manteniéndose constante, lo cual indica que
se alcanzó el equilibrio entre adsorbato y adsorbente. se logró altos (A%) de adsorción a partir de
30 minutos (97.16 %) y 50 minutos (98.38 %). El tiempo de contacto óptimo para la adsorción de
arsénico total con quitosano de escamas de trucha se alcanzó a los 50 minutos con un (A%) del
(98.38 %), por su parte Gupta et al., (2009) que obtuvieron un de 98.2% de (A%) en 4 horas, sin
embrago Boddu et al., (2008) obtuvieron un (A%) de 71.6% en 4 horas.
Estas diferencias en relación al tiempo de contacto pueden deberse a que el quitosano utilizado
por los autores mencionados (quitosano modificado con hierro y el quitosano recubierto de
cerámica alúmina), requieren un mayor tiempo de contacto para llegar a una alta remoción. El
quitosano de trucha en polvo tiene mayor propiedad adsorbente ya que se alcanzaron mayores
(%A) en un tiempo de contacto menor, lo cual indica que el quitosano de escamas de trucha no
necesita más de 50 minutos para adsorber de manera eficiente el arsénico, por lo cual se garantizan
40 5.4. Determinación de pH óptimo.
Se realizaron los ensayos a condiciones de trabajo: volumen de 150 ml, pH entre (1.64 a 8.36),
cantidad de quitosano de (0.3 g) y tiempo de contacto de (30 minutos), concentración inicial de As
total (0.074 mg/l), a temperatura ambiente con agitación constante de 600 rpm, ver tabla 10 y la
figura 8.
Tabla 10: Efecto del pH en el (%A) del As total.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 8: Efecto del pH en el (%A) del As total.
41 Los resultados muestran que la adsorción se aumenta a pH ácidos (pH= 3) pero reduce a pH
superiores (pH= 8.4), se logró altos (%A) a pH 3 con un (A%) de (97.70%), 5 (97.16%), 7
(91.35%) y 8.36 (87.29%). Obteniéndose la adsorción optima a un pH 3 con un porcentaje de
adsorción del 91.35%, por su parte Gupta et al., (2009), obtuvieron un alto porcentaje de adsorción
de 98.2% con un pH 7 con quitosano modificado con hierro lo cual indica que el quitosano
modificado es más eficiente a pH neutro, sin embargo Boddu et al., (2008), consiguieron menor
porcentaje de adsorción de 71.6% con un pH 4 con quitosano recubierto de cerámica alúmina, de
manera similar Westergren (2006) obtuvo un menor porcentaje de adsorción de 40% con un pH
5.5 con quitosano de las cascaras de camarón.
Lo cual se debería a que el quitosano de escamas de trucha tiene un mayor grado de
desacetilación por consiguiente también mayores campos activos lo cual contribuye a una mejor
adsorción del arsénico a pH acido debido probablemente a que el grupo amino libre del quitosano
(-NH2) se protona a -NH3+ en un medio ácido por ser de ambiente protofílico y transige 99% de