UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE
QUERÉTARO
Voluntad. Conocimiento y Servicio
Reporte de Estadía para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN
TECNOLOGÍA AMBIENTAL
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
DISEÑO PROTOTIPO DE TRATAMIENTO
FISICOQUÍMICO PARA AGUA JABONOSA
PRESENTA: C. MA. DE LA LUZ RUBIO MÁRQUEZ
SANTIAGO DE QUERÉTARO, QRO., 12 DE FEBRERO DEL 2011.
Universidad Tecnológica
de Querétaro
Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de Querétaro
Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnológica de Querétaro, o=Universidad Tecnológica de Querétaro, ou, [email protected], c=MX Fecha: 2011.03.08 12:07:50 -06'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE
QUERÉTARO
Voluntad. Conocimiento y Servicio
Reporte de Estadía para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN
TECNOLOGÍA AMBIENTAL
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
DISEÑO PROTOTIPO DE TRATAMIENTO
FISICOQUÍMICO PARA AGUA JABONOSA
PRESENTA: C. MA. DE LA LUZ RUBIO MÁRQUEZ
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Voluntad. Conocimiento y Servicio
Reporte de Estadía para obtener el título de
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN
TECNOLOGÍA AMBIENTAL
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
DISEÑO PROTOTIPO DE TRATAMIENTO
FISICOQUÍMICO PARA AGUA JABONOSA
PRESENTA: C. MA. DE LA LUZ RUBIO MÁRQUEZ
M. en C. Rosalinda Camacho Olguín M. en C. Rosalinda Camacho Olguín ASESOR DE LA EMPRESA ASESOR UTEQ
AGRADECIMIENTOS
La investigación es el inicio de una aventura en busca de nuevos conocimientos y experiencias.
Agradezco plenamente el apoyo brindado por la M. en C. Rosalinda Camacho Olguín quien compartió sus conocimientos técnicos-científicos, experiencia, trabajo y tiempo, que contribuyeron a que esta investigación se llevará a cabo con calidad. Gracias Rosalinda Camacho por haberme enseñado que en la investigación las respuestas las tiene que buscar uno mismo.
Agradezco el apoyo de la I.Q. María Celia Orta Galindo que siempre estuvo disponible cuando necesitaba de las instalaciones.
Agradezco a todas aquellas personas que me dedicaron un poco de su tiempo para ayudarme a resolver mis dudas, compartiendo sus conocimientos.
Es de agradecer a los maestros de Tecnología Ambiental que también contribuyeron en mi formación académica durante estos dos años en los cuales me preparé para salir al campo de trabajo.
También agradezco a la Universidad Tecnológica de Querétaro que me brindó sus instalaciones con disponibilidad para realizar las investigaciones necesarias para concluir este proyecto.
DEDICATORIAS
Este proyecto se lo dedico a mi familia que en todo momento me han apoyado y han confiado en mí.
Para mí es importante hacer mención de mis padres, Miguel y Teresa por los cuales siento gran admiración, si no fuera por ellos no estaría donde estoy ahora; y de mi hermana Odorica que ha sido un ejemplo para mí.
La realización de los sueños se consigue luchando sin descanso, sin desistir, sin dejar de creer en uno mismo.
Mis amigos de francés así como mis maestras Mari, Pati y Susi también tienen un lugar importante en mi formación académica, fueron partícipes durante el tiempo que estuve en el proyecto de Movilidad a Francia, siempre confiaron en mí.
No logre mi anhelo de calificar para mi estancia en Francia, sin embargo, soy y seré una luchadora incansable, esta fue solo una meta de tantas que me faltan por vivir, como dice Paulo Coelho, el secreto de la vida está en caerse siete veces y levantarse ocho.
A todas aquellas personas que confían en mí, en lo que soy y en lo que puedo llegar a ser, sólo me queda decirles: “gracias”.
INTRODUCCIÓN
Actualmente las descargas de aguas residuales en cuerpos de agua y bienes nacionales es un asunto crítico ya que provoca la contaminación y pérdida de éstos, significando un problema de salud y ambiental. Hoy en día el uso excesivo de detergentes se ha convertido en un inconveniente, el agua gris o jabonosa contiene sustancias difíciles de degradar biológicamente lo cual provoca la contaminación por eutrofización dañando las plantas y la vida acuática.
Una alternativa en el tratamiento de aguas jabonosas es el proceso fisicoquímico que consiste en remover con ayuda de coagulantes principalmente sales metálicas y/o polielectrolitos, los sólidos suspendidos o disueltos que poseen y de esta manera, la carga orgánica potencialmente peligrosa para la salud.
El presente proyecto pretende evaluar el funcionamiento de la propuesta del prototipo para el tratamiento fisicoquímico del agua jabonosa, utilizando como coagulante sulfato de calcio que además de contribuir a clarificar el agua residual también es utilizado como mejorador de suelos.
ÍNDICE
Agradecimientos ... 7
Dedicatorias ... 8
Introducción ... 9
CAPÍTULO 1 ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA 1.1 Antecedentes de la empresa ... 15 1.2 Misión ... 16 1.3 Visión... 16 1.4 Políticas y valores... 16 1.5 Valores institucionales ... 16 1.6 Clientes ... 17 1.7 Ubicación ... 17 CAPÍTULO 2 DEFINICIÓN DEL PROYECTO 2.1 Antecedentes ... 20
2.2 Definición del problema ... 21
2.3 Justificación ... 21 2.4 Objetivos ... 21 CAPÍTULO 3 MARCO TEÓRICO 3.1 Detergentes ... 23 3.1.1 Composición ... 27
3.1.2 Anatomía de los detergentes ... 28
3.1.3 Los detergentes y la biodegradabilidad ... 42
3.1.4 Estudio realizado a lavadoras de ropa en el consumo de agua ... 43
3.2. Tratamiento fisicoquímico ... 46
3.2.1 Coloides ... 46
3.2.3 Propiedades de los coloides ... 48
3.2.4 Propiedades cinéticas ... 48
3.2.4.1 Propiedad óptica Tyndall-Faraday ... 50
3.2.4.2 Propiedad de superficie: adsorción ... 51
3.2.4.3 Propiedad electrocinética: electroforesis ... 51
3.2.5 Teoría de doble capa... 52
3.3 Coagulación ... 55
3.3.1 Tipos de coagulación... 56
3.3.3 Coagulantes ... 57
3.3.4 Perjuicios del aluminio a la salud... 61
3.3.5 Ventajas y desventajas en el uso de sulfato de aluminio y sulfato de calcio como coagulante. ... 63
3.4 Ensayo de laboratorio método “prueba de jarras” ... 64
3.4.1 Descripción del equipo de prueba de jarras ... 64
3.4.2 Sistemas de dosificación ... 64
3.4.3 Sistema de agitación ... 65
3.4.4 Sistema de toma de muestra ... 66
3.4.5 Iluminación ... 66
3.4.6 Coagulación del color ... 67
3.4.7 Coagulación de color y turbiedad ... 67
3.4.8 Determinación de dosis óptima ... 67
3.5 Sistemas de filtración ... 67
3.5.1 Medios filtrantes de uso común ... 73
CAPÍTULO 4 DESARROLLLO DEL PROYECTO 4.1 Etapas del desarrollo del proyecto ... 79
4.2 Desarrollo del proyecto ... 80
4.2.1 Definición del proyecto ... 80
4.2.2 Investigación teórica ... 80
4.2.3 Caracterización del agua cruda ... 80
CAPÍTULO 5 RESULTADOS Y CONCLUCIONES 5.1 Resultados ... 89
5.1.1 Resultados de la remoción de los contaminantes en el agua tratada... 89
5.2 Conclusiones ... 95
CAPÍTULO 6 6.1 Glosario. ... 98
6.2 Bibliografía ... …..101
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura.1.0 - Mapa de ubicación de la Universidad Tecnologica de Queretaro ... 18
Figura. 3.0.- Accion secuestrante de dos mejoradores inorgánicos ... 31
Figura. 3.1.- Agentes mejoradores secuestrantes orgánicos ... 32
Figura. 3.2.- Grupos de amidoaminas ... 34
Figura. 3.3.- Algunos mejoradores ópticos fluorescentes ... 39
Figura. 3.4.- Algunos perfumes usados en detergentes y jabones y sus precursores térpenicos ... 40
Figura. 3.5.- Configuración esquemática de la doble capa eléctrica ... 53
Figura. 3.6.- Modelo de la doble capa difusa de Estern-Gouy ... 54
Figura. 3.7.- Equipo de Prueba de Jarras... 65
Figura. 4.0.- Etapas de desarrollo del proyecto ... 79
Figura. 4.1.- Muestra de agua cruda ... 80
Figura. 4.2.- Sedimentación después del periodo de coagulación ... 87
Figura. 4.3.- Sedimentación después de 36 horas ... 87
Figura. 5.0.- Diagrama de diseño para el prototipo de tratamiento de aguas jabonosas con capacidad para 200L ... 92
Figura. 5.1.- Diagrama de diseño para el prototipo de tratamiento de aguas jabonosas con capacidad para 100L ... 93
Figura. 6.0.- Prueba de Jarras ... 102
Figura. 6.1.- Diagrama de proceso del prototipo de tratamiento de aguas jabonosas diseño 1 ... 103
Figura. 6.2.- Diagrama de proceso del prototipo de tratamiento de aguas jabonosas diseño 2 ... 104
Figura. 6.3.- Filtro lento de arena ... 105
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.0.- Algunos policarboxilatos ... 31
Tabla 3.1.- Estudio realizado a diferentes marcas de lavadoras ... 44
Tabla 3.2- Efecto al disminuir el tamaño de las partículas ... 47
Tabla 3.3.- Características de los coloide... 48
Tabla 3.4.- Composición del sulfato de calcio ... 61
Tabla 3.5.- Tiempo y velocidad para prueba de jarras ... 66
Tabla 4.0.- Concentraciones de coagulante ... 85
Tabla 5.0.- Caracterización del agua cruda ... 89
Tabla 5.1.- Resultados de la eficiencia de remoción del agua tratada ... 90
Tabla 5.2.- Costos de prototipo diseño1 ... 91
Tabla 5.3.- Costos de prototipo diseño2 ... 94
Tabla 5.4.- Horas hombre empleadas para la instalacion del prototipo diseño1 ... 94
CAPÍTULO 1
ASPECTOS GENERALES DE LA
EMPRESA
CAPÍTULO 1
1. ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA
1.1 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA
La historia de la Universidad Tecnológica de Querétaro (UTEQ) es breve pero enriquecedora, ya que a lo largo de dieciséis años de trayectoria en nuestra entidad, ésta se ha consolidado como una Institución Educativa de calidad que ofrece una formación profesional, cuyo distintivo es la estrecha relación con el sector productivo.
La UTEQ tras una serie de estudios de factibilidad, comienza sus labores docentes
en septiembre de 1994, iniciando la formación de 146 alumnos en las áreas de Administración, Comercialización, Mantenimiento Industrial y Procesos de Producción. Trabajando en aulas prestadas por diversas instituciones de educación superior del estado. El 4 de septiembre de 1994 se inició la construcción de sus propias instalaciones en una extensión de 25 hectáreas ubicadas en la Colonia San Pedrito Peñuelas.
Se imparten ocho carreras, a las cuatro primeras se sumaron las de Electrónica y
Automatización, Tecnologías de la Información y Comunicación, Tecnología Ambiental y más recientemente Servicio Posventa: Área Automotriz, todas avaladas por la preparación profesional y curricular del cuerpo docente, en su mayoría con estudios de maestría y doctorado en áreas afines a las materias que imparten y en los atributos del modelo educativo, mismo que incluye actividades culturales y deportivas para la formación integral del estudiantado.
Actualmente se imparten seis carreras de ingeniería con un modelo de
competencias: Ing. Tecnologías de la Información y Comunicación, Ing. Ambiental,
Ing. Tecnologías de la Automatización, Ing. Procesos y Operaciones Industriales, Ing. Mantenimiento Industrial, Ing. en Innovación y Desarrollo Empresarial, a éste se agrega la nueva carrera de Técnico Superior Universitario en Energías Alternas y la
transformación de Electrónica y Automatización a Mecatrónica y Servicio Posventa Automotriz a Desarrollo de Negocios.
1.2 MISIÓN
Ofrecer programas de educación superior en la modalidad de Técnico Superior Universitario, así como servicios tecnológicos y educación continua; vinculándonos con los sectores productivo y social, con el fin de promover la cultura científica y tecnológica e impulsar el desarrollo del país.
1.3 VISIÓN
Ser líder por la calidad de los programas educativos, los servicios tecnológicos y educación continua, que desarrollamos y ofrecemos, con reconocimiento nacional e internacional.
1.4 POLÍTICAS Y VALORES
Política de Calidad
En la Universidad Tecnológica de Querétaro nos comprometemos a formar Técnicos Superiores Universitarios que cumplan con los planes y programas de estudio, así como ofrecer servicios tecnológicos y de educación continua, con el fin de atender y satisfacer los requerimientos de alumnos, egresados y de los sectores productivo y social, mediante el Sistema de Gestión de la Calidad y la mejora de los procesos que lo integran. 1.5 VALORES INSTITUCIONALES Responsabilidad Respeto Honestidad Compromiso Institucional Espíritu de Servicio
1. Ofrecer programas educativos de calidad en el nivel de Técnico Superior Universitario a través de la impartición de Planes y Programas de Estudio actualizados y pertinentes con las necesidades de los sectores productivo y social, haciendo énfasis en la formación integral de los alumnos.
2. Promover la vinculación de los alumnos, egresados y en general los Programas Educativos de la Universidad con los sectores productivo y social con el fin de impulsar una cultura científica y tecnológica.
3. Desarrollar la planeación estratégica que permita orientar el rumbo de la universidad, estableciendo los mecanismos de dirección para asegurar el cumplimiento de los objetivos planeados; asimismo difundir los resultados alcanzados.
4. Asegurar la adecuada administración de los recursos financieros, la gestión de los recursos humanos necesarios y competentes para desempeñar las funciones académicas y de administración en la Universidad, así como la provisión de los recursos materiales y servicios requeridos para la operación institucional.
1.5 CLIENTES
Alumnos y sociedad en general.
1.6 UBICACIÓN
La Universidad Tecnológica de Querétaro está localizada en Av. Pie de la Cuesta s/n, Col. San Pedrito Peñuelas. C.P. 76148, Querétaro, Qro. Teléfonos: +52(442)209 61 00 al 04 Fax: +52(442)209 61 32 (ver figura 1).
CAPÍTULO 2
CAPÍTULO 2
2. DEFINICIÓN DEL PROYECTO
2.1 ANTECEDENTES
Los detergentes se han asociado desde siempre con problemas medioambientales. Ya antes de que aparecieran los sintéticos, el jabón tenía el problema de que, en aguas muy duras, se combina con el calcio y deja una película insoluble en la superficie del agua. En la década de 1960 se introdujeron leyes para limitar la gran cantidad de espuma que generaban los detergentes sintéticos.
La utilización extensiva de fosfatos, fosfonatos o percarboxilatos como potenciadores en formulaciones detergentes ha producido un nuevo tipo de contaminación de aguas llamada eutroficación. Este fenómeno proviene del enriquecimiento excesivo de las aguas en fitonutrientes, el cual resulta en un crecimiento abundante de las algas y otras plantas, lo que agota el oxígeno disuelto y acaba con la fauna acuática. Este tipo de contaminación, que había sido observado hace varias décadas cerca de la salida de aguas negras conteniendo materias orgánicas, se ha vuelto incontrolable en ciertos casos por la acción fertilizante adicional de los fosfatos proviniendo del uso extensivo de detergentes.
Hoy en día se utiliza una gran cantidad de detergentes, las amas de casa son las principales consumidoras de tal producto, por lo tanto son las que más contaminan, un ejemplo muy claro, tan solo cuando lavan la ropa, el fabricante estipula una cantidad a utilizar, pero la ama de casa siempre utiliza un poco más de lo que se recomienda.
2.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
El consume excesivo de agua en el lavado de ropa y su inminente contaminación al adicionar substancias que coadyuven a la limpieza, hace necesario diseñar un
prototipo de tratamiento, sencillo de fácil operación para que la propia ama de casa lo pueda operar.
2.3 JUSTIFICACIÓN
Con el uso de la lavadora ha habido un incremento impresionante en la demanda de agua potable, así como el consumo de detergentes, México es un país que tiene problemas de escasez de este recurso. Para contribuir en una pequeña parte a solucionar dicho problema de escasez se realiza una propuesta de prototipo de tratamiento fisicoquímico al agua jabonosa utilizando como coagulante el sulfato de
calcio (CaSO42H2O) (Betancourt, 2009), el agua así tratada podrá reutilizarse en el
lavado de ropa o aprovecharla en el riego de áreas verdes, riego agrícola, riego de hortalizas, lavado de pisos, la calidad de ésta con apego a la normativa vigente en materia de agua para dicho uso.
La presente investigación promoverá el uso de la propuesta del prototipo para el tratamiento fisicoquímico de aguas jabonosas que coadyuvara a disminuir el consumo de agua a través del re-uso del preciado líquido.
2.4 OBJETIVOS
Objetivo general
Evaluar el funcionamiento de la propuesta del prototipo para el tratamiento fisicoquímico del agua jabonosa.
CAPÍTULO 3
CAPÍTULO 3
3. MARCO TEÓRICO
El agua es uno de los compuestos más abundantes en la naturaleza y cubre aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. Sin embargo, en contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la disponibilidad del agua para uso humano. Más del 97% del agua total del planeta se encuentra en los océanos y otras masas salinas, y no están disponibles para casi ningún propósito. Del 3% restante, por encima del 2% se encuentra en estado sólido, hielo, resultando prácticamente inaccesible (Clair N. Sawyer, Perry I. Mccarty, F. Parkin, 2001).
El agua es una de las sustancias necesarias para el sostenimiento de la vida y desde hace mucho tiempo se sabe que la contaminación de ésta es la fuente de muchas enfermedades humanas. No fue sino hasta hace 150 años que se comprobó definitivamente que la transmisión de algunas enfermedades se da a través del agua. Las fuentes de agua (superficiales y subterráneas) se han venido contaminando cada vez más debido al aumento de la actividad industrial y agrícola, es por eso que los sistemas de tratamiento para depurar las aguas residuales son un factor importante en lo que respecta a la salud pública (Kiely Gerard, 1999).
En los últimos 70 años se ha triplicado la población mundial y el uso del agua se ha multiplicado por seis, como resultado del desarrollo industrial y del mayor uso del riego. Más recientemente, el uso de agua per cápita se ha estabilizado, de modo que el consumo total de agua está aumentando a un ritmo aproximadamente igual al del aumento de la población. Se ha calculado que para satisfacer las necesidades de agua de 77 millones de personas que se agregan cada año a la población mundial se requiere una cantidad de agua aproximadamente igual al caudal del río Rin. Pero la cantidad de agua dulce disponible no ha cambiado (FNUAP,2001).
En todo el mundo, se utiliza cada año un 54% del agua dulce disponible. Si el consumo por persona permaneciera invariable, hacia el 2025 se podría estar utilizando un 70% del total, solamente en función del aumento de la población. Si el
consumo per cápita en todos los países del mundo llegara al nivel de los países más desarrollados, hacia el 2025 se podría estar consumiendo un 90% del agua disponible.
En esas extrapolaciones se supone que no habría cambios en la eficiencia de la utilización del agua. No obstante, se ha estimado que algunas tecnologías de relativamente bajo costo podrían duplicar la productividad agrícola por unidad de
agua disponible. En los últimos 50 años, los países industrializados han aumentado
sustancialmente la eficiencia del uso de agua con fines industriales y agrícolas. Muchas de esas mismas tecnologías, por ejemplo, el riego por goteo en lugar del
riego con grandes caudales están cada vez más disponibles en los países en
desarrollo, pero es preciso abordar los problemas de costo y las barreras culturales En el año 2000, había 508 millones de residentes en 31 países sometidos a estrés hídrico o escasez de agua. Hacia el 2025, se calcula que 3.000 millones de personas
están viviendo en 48 de esos países. El número de personas que viven en
condiciones de escasez se duplicará y el de quienes residen en países sometidos a estrés hídrico se multiplicará por seis.
Los expertos han establecido el nivel de la necesidad básica de agua (BWR) 50 litros per cápita y por día: para consumo de agua de beber, saneamiento, higiene personal, cocción de alimentos y necesidades de cocina y han exhortado a que se reconozca que éste es el estándar para la medición del derecho al agua apta para el consumo.
Los países usan diferentes métodos para recolectar agua con fines de uso doméstico y aún no se han establecido estándares uniformes para determinar la calidad. Las estimaciones de que se dispone por países indican que 61 países, que en el 2000 tenían entre todos una población de 2.100 millones de personas, estaban utilizando una cantidad de agua inferior a la necesidad diaria básica. Hacia el 2050, 4.200 millones de personas (más del 45% del total mundial) estarán viviendo en países donde la población estará por debajo de la norma de BWR.
En este estándar mínimo no se toman en cuenta otros usos necesarios del agua, para la agricultura, la protección de los ecosistemas y la industria. Un estándar de consumo de 100 litros por persona y por día reflejaría esas necesidades adicionales; en el 2000, había en 80 países 3.750 millones de personas por debajo de este nivel. La población de esos países aumentará hasta 6.400 millones hacia el 2050.
La Organización Mundial de la Salud (OMS) informa de que hay unos 1.100 millones de personas que carecen de acceso a agua no contaminada (en cualquier cantidad). Entre 2.400 y 3.000 millones de personas carecen de acceso a servicios sanitarios. Esas deficiencias son más pronunciadas en las zonas rurales, donde un 29% de los residentes carecen de acceso a agua no contaminada y un 62%, a sistemas de saneamiento.
Los futuros efectos del calentamiento mundial sobre la disponibilidad de agua y, por ende, la sostenibilidad de los asentamientos humanos, son cuestiones sujetas a un alto grado de incertidumbre. Las pautas de lluvias, incluidas la intensidad y la oportunidad de las tormentas y la tasa de evaporación, probablemente han de cambiar pronunciadamente a medida que se vaya elevando la temperatura.
Las soluciones puramente tecnológicas a la escasez de agua probablemente tendrán efectos limitados. Actualmente, la desalación del agua de mar provee menos del 1% del agua que consumen los seres humanos.
La Comisión Nacional del Agua ha identificado 653 acuíferos en el Territorio Nacional. Aproximadamente 200 de estos acuíferos han sido sujeto de uno o más estudios, y los volúmenes disponibles para 188 acuíferos han sido publicados en el Diario Oficial de la Federación. Esto quiere decir que dos terceras partes de los acuíferos de México no han sido cartografiados, y en los cuales no se conoce su geometría, volumen de agua disponible, y otra información básica. El agua subterránea proporciona el 70% del agua potable a los mexicanos, la tercera parte de la superficie bajo riego y el 50% de la industria (Marín, 2002).
El mayor uso del agua subterránea ocurre en las zonas áridas y semiáridas del centro, norte y noroeste, donde el balance extracción-recarga es negativo y refleja las condiciones de sobre explotación en numerosos acuíferos. Este hecho amenaza la sustentabilidad de las actividades económicas apoyadas en estas fuentes de abastecimiento, ya que no sólo se agota el recurso sino que en algunas se ha afectado la calidad del agua y se encarece su aprovechamiento.
De los 653 acuíferos identificados por la Gerencia de Aguas Subterráneas de la Comisión Nacional del Agua, según diversos autores (Marín, 2002; Arreguim, 2004; Cantú y Garduño, 2004) de 98-102 acuíferos están siendo sobreexplotados. En estos
acuíferos la recarga es de unos 9.0 km3/año y la extracción de 13.9 km3/año,
representando la recarga el 65% de la extracción total. En estos acuíferos sobreexplotados se extrae el 51% del total a nivel nacional. El usuario más importante del agua subterránea es el sector agrícola, que utiliza un 70% de las extracciones, seguido a buena distancia por los usos público-urbano e industrial, que representan alrededor del 22% del bombeo total y poco más del 6%, respectivamente. En cuanto a los 100 acuíferos sobreexplotados, las cifras expuestas reproducen prácticamente el mismo patrón que a nivel nacional, pues un 71% de las extracciones corresponden al sector agrícola, alrededor del 22% se utiliza por el uso público-urbano y casi 6% por el sector industrial. La sobreexplotación
conjunta resulta de 4.9 km3 anuales (Urquiza,2008).
El Estado de Querétaro cuenta con una superficie de 11,688 km2, que corresponde al
0.61% del territorio nacional. La superficie estatal se encuentra dividida en dos
Regiones Hidrológicas: 9,289 km2 (79% del territorio) se encuentran en la Región No.
26 Pánuco; y 2,480 Km2 (21%) en la región No. 12 Lerma-Santiago. Es en la región
No. 12 en donde se encuentra situada la ZMCQ.
Un alto porcentaje del agua que se utiliza en la Zona Metropolitana de la Ciudad de Querétaro proviene del acuífero del Valle de Querétaro. Éste se encuentra localizado en la parte suroeste del Estado, comprendiendo los municipios de Corregidora, El Marqués y Querétaro. El acuífero del Valle de Querétaro manifiesta una sobreexplotación del orden de 60% en relación a su recarga, con un abatimiento
promedio de 3.5 m3/año, producto de la extracción de 110 millones de m3 anuales. Esta condición de sobreexplotación del acuífero del Valle de Querétaro lo pone en grave riesgo, por lo que se deberán tomar una serie de medidas para estabilizar el abatimiento mencionado, incluyendo la racionalización del consumo y la reutilización de aguas tratadas, la incorporación de volúmenes de aguas superficiales y subterráneas provenientes de otras fuentes, como es el caso de la cuenca del Pánuco (Urquiza, 2008).
La cobertura del agua potable en la ZMCQ es de 96.45%. El suministro de la Ciudad de Querétaro y su zona conurbada se proporciona a través de agua subterránea mediante pozos profundos. En lo que respecta al tratamiento de aguas residuales la CEA en la zona conurbada de la ciudad de Querétaro cuenta con cinco plantas, cuyas capacidades mantienen una cobertura de tratamiento de 38% de la cual se reutiliza el 88% para el riego de parques, jardines y en la industria.
Hoy en día el consumo de agua en nuestro país es impresionante y el uso de detergentes y jabones es excesivo, la cantidad de aguas grises, principalmente las de lavado es una cantidad considerable. Estas aguas se pueden tratar por separado para darles un mejor reúso.
El jabón, como antecedente de los detergentes químicos, es una sal de sodio o potasio, de un ácido graso que se forma por la reacción de grasas y aceites, con un álcali.
3.1 DETERGENTES 3.1.1 Composición
Detergente, es un agente químico limpiador con suficiente aptitud para actuar bajo las condiciones más difíciles de lavado, incluso con agua dura, con un alto porcentaje de sales de calcio y magnesio. A diferencia del jabón, su especial composición, evita la formación del llamado “anillo”, de depósitos.
Actúa disminuyendo la tensión superficial del agua, lo que permite que se “moje” mejor una superficie, además de coadyuvar en el desprendimiento de la mugre y evitar que se vuelva a depositar en el área lavada, con lo que se logra una rápida y satisfactoria limpieza a fondo de la prenda, objeto o material, sin que se produzca alteración alguna en su estado físico.
Inicialmente los “detergentes” se obtuvieron tratando un compuesto “aromático” derivado del benceno, con ácido sulfúrico y neutralizando después el resultado con hidróxido de sodio, para lograr así al final, una sal de sodio.
Sin embargo, estos primeros detergentes, una vez en el agua, tendían a permanecer en ella y no se transformaban en sustancias más solubles y menos complejas. No eran biodegradables y tenían el inconveniente de formar una gran cantidad de espuma muy estable en los desagües, ríos y aún en aguas subterráneas.
Indiscutiblemente con estos serios inconvenientes, se reemplazó en la fórmula original, el compuesto “aromático”, por compuestos del tipo “alquilos” en los que al eliminar un átomo de hidrógeno se lograban detergentes con la misma eficiencia,
pero mucho más solubles y biodegradables. Estos nuevos “alquilsulfatos” resultaban
mucho menos dañinos a la ecología. 3.1.2 Anatomía de los detergentes
Las diversas sustancias que se usan en las fórmulas de los detergentes actuales, se pueden dividir en:
Sustancias surfactantes
Agentes secuestrantes mejoradores (Builders)
Agentes dispersantes de jabones de calcio (LSDA)
Agentes anti(re)deposición
Agentes espumantes y no espumantes
Agentes suavizadores
Mejoradores ópticos fluorescentes Enzimas Perfumes Compuestos inorgánicos Integrantes orgánicos Otros componentes Surfactantes
Llamados también “componentes tensoactivos”, son agentes de actividad superficial, que actúan en la superficie de la ropa al lavar, penetran en los materiales porosos, dispersan las partículas sólidas y emulsifican grasas y aceites.
Estos agentes, son los responsables de producir la cantidad y estabilidad de la espuma, cualidad que subjetivamente es la apreciada por los consumidores.
Es la disminución de la tensión superficial del líquido (la acción de los surfactantes) la que permite que el detergente, penetre con facilidad e intensidad, en los materiales en contacto (Llamas, 2001).
Estas sustancias, se dividen en dos clases, según su comportamiento en el agua: agentes iónicos (que forman iones en la solución) y agentes no iónicos.
Agentes secuestrantes mejoradores (Builders)
Estos agentes tienen como propósito mejorar la acción limpiadora del surfactante mediante varios efectos. Su principal acción es secuestrar a los cationes divalentes del agua dura (calcio, magnesio) para evitar la interacción de estos iones con los surfactantes. La eliminación se hace en forma de solubilización (quelato), precipitación, o intercambio iónico.
Otra de las acciones de los mejoradores es mantener el pH de la solución detergente a un valor alcalino, neutralizar los ácidos grasos libres y formar jabones in-situ en la interfase.
También aumentan el potencial (negativo) de superficie de los textiles y de los sucios y por tanto inhiben la redeposición.
Existen dos tipos de agentes mejoradores: los inorgánicos y los orgánicos. Los más utilizados en la actualidad son los agentes mejoradores inorgánicos solubles, principalmente fosfatos, y en menor grado silicatos y carbonatos de sodio, o insolubles como las zeolitas (alumino-silicatos naturales o sintéticos) (Salager, 1988): - sodio tri(poli)fosfato (STP); Na5P3O10
- sodio pirofosfato Na4P2O7
- sodio silicato Na2O y SiO 2
- sodio carbonato Na2CO3
- sodio aluminosilicato SASIL; Zeolita A Na2OAl3O32SiO2xH2O
Estas sustancias secuestran los cationes divalentes por quelatación (soluble) o intercambio inónico (insoluble), ver figura. 3.0.- Acción secuestrante de dos mejoradores inorgánicos, donde se indican estos dos mecanismos.
En los últimos 20 años se ha tratado de hallar un sustituto económico a los fosfatos. Sin embargo, ni los silicatos ni los carbonatos han dado resultados comparables. La tendencia actual es utilizar mezclas STP/SASIL en exceso sobre la dureza del agua, lo que permite una acción secuestrante incluso durante el enjuague.
Figura. 3.0.- Acción secuestrante de dos mejoradores inorgánicos. Sodio Tri(poli)Fosfato STP y Sodio Alumino Silicato SASIL (Zeolita)
Por otra parte se han realizado numerosas investigaciones para desarrollar sustitutos orgánicos a los fosfatos (véase Figura. 3.1.- Agentes mejoradores secuestrantes orgánicos). Secuestrantes eficientes como el etileno-diaminatetracetato (EDTA) son demasiado costosos para su uso en detergentes corrientes. Se descubrió hace unos 20 años que el nitrilo-triacetato de sodio (NTA) podía ser un excelente sustituto de los fosfatos; desafortunadamente hay cierta controversia de que pueda ser cancerígeno y por lo tanto su producción ha sido considerablemente reducida (Salager, 1988).
La química orgánica puede proveer numerosas estructuras con capacidad secuestrante con heteroátomos S, N, P u O. Sin embargo los tres primeros pueden provocar problemas de contaminación ambiental, por lo tanto queda sólo el último. Se han encontrado varias estructuras de tipo alfa-eter-carboxilato (ver Figura 3.1 Agentes mejoradores secuestrantes orgánicos) que mimetizan el desempeño de los fosfatos, particularmente el tartronato (CMT), el carboximetil-oxisuccinato (CMOS) y el tris-(carboximetoximetil)-etano (TMETA). Tales sustancias presentan un poder secuestrante del mismo orden que el STP y pueden biodegradarse rápidamente en lodo activado.
También se han propuesto polielectrolitos para tales efectos; poseen un poder secuestrante netamente mejor que el STP pero no son fácilmente biodegradables
(ver Tabla 3.0.- Algunos policarboxilatos) (X COONa) que indica algunas de las
estructuras más comunes y su orígen.
Tabla 3.0.- Algunos policarboxilatos (X COONa)
Agentes dispersantes de jabones de calcio (LSDA)
Muchas formulaciones detergentes liquidas y en polvo para máquina de lavar contienen sales alcalinas de ácidos grasos, es decir jabones cuyo papel es reducir la espuma. Los jabones en barra o en escamas contienen un alto porcentaje de tales productos. Los jabones tienen excelentes propiedades limpiadoras, son seguros y fácilmente biodegradables; sin embargo son muy sensibles a los cationes divalentes, especialmente el calcio con el cual producen sales insolubles en agua.
Los agentes dispersantes de jabones de calcio (Lime soap dispersing agents o
para formar soluciones que no producen precipitado en agua dura. Entre los agentes dispersantes de jabones de calcio se encuentran los alfa-sulfo-esteres de ácidos grasos que son de los productos menos costosos, aunque con eficiencia relativamente moderada. Otros compuestos del mismo tipo son los alquilgliceril ester
sulfonatos (AGES): RCH(SO3Na)COOCH3 con RC1618.
La gran mayoría de los agentes dispersantes de jabones de calcio con buena eficiencia son surfactantes anfóteros con un grupo amina o amida grasa. Las betainas, en las cuales el grupo aníónico es un carboxilaco, son menos efectivas que
las taurinas (grupo SO ) o los compuestos polietoxilados. 3
Se obtiene excepcionales propiedades dispersantes cuando se introduce un grupo amidoamina en un surfactante anfótero (ver figura. 3.2.- Grupos de amidoaminas).
Figura. 3.2.- Grupos de amidoaminas
Típicamente estos surfactantes se usan en formulaciones a razón de un cuarto de la cantidad de jabón presente, independientemente de los demás componentes.
Agentes anti (re)deposición
Los agentes anti (re)deposición más utilizados son la carboximetil celulosa (CMC), y otros derivados no iónicos de la celulosa.
Se usan también comercialmente la polivinil pirolidona, los polivinil alcoholes, y otros copolímeros entre moléculas de este tipo.
Agentes espumantes y no espumantes
La producción de espuma no tiene nada que ver con el poder detergente. Sin embargo el consumidor tiene siempre la impresión de que si no hay espuma no hay buena detergencia. Este malentendido está a menudo mantenido y acentuado por la publicidad de los propios fabricantes de detergentes. En consecuencia muchos productos para el lavado a mano producen una abundante espuma.
Debe notarse sin embargo que en ciertas aplicaciones como el lavado a máquina tanto de ropa como de loza, una producción notable de espuma es un inconveniente; para estas aplicaciones se han desarrollado las formulaciones baja espuma.
Los agentes espumantes más utilizados son el lauril sulfato (aniónico), y los surfactantes no iónicos nitrogenados como óxido de aminas, alcanol amidas, aminas y amidas etoxiladas (Salager,1988).
También se usan compuestos complejos como alcanolamidas o monoglicéridos sulfatados.
En los detergentes de baja espuma se usan principalmente jabones, pero también sulfonatos de parafinas, copolímeros bloques de óxido de etileno y óxido de propileno, polietoxi esteres de ácidos grasos, glicoles acetilénicos etoxilados y esteres de etilen glicol o de glicerol.
Agentes suavizadores
La necesidad de agentes suavizadores surgió del abandono de los jabones para los detergentes sintéticos. Después de un lavado con jabón quedaba siempre sobre las fibras un residuo de jabón de calcio precipitado que actuaba como suavizador.
El residuo de surfactante sintético adsorbido tiende a aumentar la carga eléctrica estática de las fibras y la ausencia de sustancias con acción lubricante vuelve el textil relativamente rígido ya que las fibras no pueden deslizar una sobre otra. El papel de los agentes suavizadores es contrarrestar estos fenómenos.
De una parte se debe reducir la carga estática remanente y de otra parte se debe depositar una sustancia con acción lubricante.
Muchos surfactantes catiónicos producen estos efectos, pero son incompatibles con los surfactantes aniónicos utilizados en las formulaciones. Por lo tanto deben usarse en un baño separado, o en máquinas de lavar, durante el ciclo de enjuague. Los mejores suavizadores de este tipo son los alquil amonios cuaternarios y las sales de amidazolinio.
Sin embargo, la introducción de un agente suavizador en el ciclo de enjuague complica la operación de lavado, y la tendencia actual es introducir el suavizador en la formulación detergente. Se debe por lo tanto utilizar un surfactante con cierto carácter catiónico para que se adsorba en las fibras, pero compatible con los surfactantes aniónicos del tipo ABS o LAS. Se usan para este propósito varios surfactantes no iónicos que poseen un grupo nitrogenado, tales como las aminas etoxiladas, amidazolas etoxiladas, óxidos de aminas cuaternarias con uno o dos grupos hidroxi-etilos, y por otra parte algunos surfactantes anfóteros, particularmente los que contienen un grupo amido-amina (y que son también dispersantes de jabones de calcio).
Agentes blanqueadores
La blancura de los textiles lavados es quizás la propiedad más importante para el consumidor. De antaño se sabe que el sol produce un efecto blanqueador, y hace más de 500 años que se empezó a usar sustancias naturales (leche agria, arcillas alcalinas) para blanquear los textiles. Sin embargo, es solamente al final del siglo XVIII que se inició la carrera de los agentes blanqueadores con el descubrimiento del cloro por Scheele y del hipoclorito de sodio por Berthollet.
Hay actualmente en el mercado dos tipos de agentes blanqueadores para téxtiles, ambos con propiedades oxidantes: los hipohaluros, esencialmente el hipoclorito de sodio, y las sales inorgánicas peroxigenadas, principalmente el perborato de sodio. Los agentes blanqueadores oxidantes deben ser intrínsecamente inestables para cumplir con su función, que consiste en oxidar, es decir en ganar electrones. De manera paradógica deben ser lo más estables posible cuando están almacenados solos o en la mezcla detergente, e inestables cuando están en el baño de lavado (Salager, 1988).
Las propiedades generales de los blanqueadores son los siguientes: 1) Un aumento de temperatura aumenta la velocidad de descomposición; 2) Ciertos metales pesados a nivel de traza catalizan la descomposición; 3) La actividad blanqueadora aumenta con la concentración pero no linealmente; 4) El pH tiene un efecto importante; un pH ácido acelera la descomposición del hipoclorito, mientras que se requiere un pH alcalino para acelerar la descomposición de las sales inorgánicas peroxigenadas.
El hipoclorito se descompone por dos vías, de las cuales sólo la segunda produce el efecto oxidante de interés.
Vía del clorato 3NaCl2NaClNaClO3
Vía del oxígeno 2NaOCl 2NaClO2
El hipoclorito es un agente blanqueador más activo, más agresivo que el perborato. Es particularmente eficiente al oxidar el sucio protéico, y en general todas las sustancias que contienen nitrógeno. Posee una acción blanqueadora aún a baja temperatura, y adicionalmente es un efectivo bactericida. Por su acción sobre las sustancias nitrogenadas no se puede conservar en forma de polvo o de líquido en formulaciones detergentes que contengan sales de amonio, aminas, amidas etc., es decir, numerosos componentes generalmente utilizados. Por eso se prefiere usar
como un ingrediente aparte, que se conserva en solución acuosa separada y se añade al baño detergente en el momento.
Las sales inorgánicas peroxigenadas que se utilizan como blanqueadores son las siguientes, principalmente la primera.
Perborato de sodio tetrahidrato NaBO34H2O
Carbonato de sodio peroxihidrato 2NaCO33H2O2
Peroximonosulfato de potasio KHSO 5
Trabajan a pH alcalino; para lavado en frío se puede acelerar su descomposición con la adición de peróxidos orgánicos como el ácido peracético o perácidos más largos. El perborato y semejantes exhiben una acción blanqueadora menos agresiva que el hipoclorito, y son sólidos compatibles con la gran mayoría de los componentes de los detergentes en polvo.
Mejoradores ópticos fluorescentes
Ciertos colorantes orgánicos poliaromáticos pueden absorber la luz ultravioleta y remitir una luz visible azulada mediante el proceso conocido como fluorescencia. A la luz del sol, añaden un tono azulado que compensa el tono amarillento del textil y mejora la blancura o la profundidad de los colores. Son los granitos azules de ciertos polvos de lavar. En alumbrado con luz exclusivamente ultra-violeta (luz negra) producen una fluorescencia muy notable, (ver la figura. 3.3.- Algunos mejoradores ópticos fluorescentes), en dicha figura se indica la formula desarrollada de algunos de estos agentes fluorescentes.
Según que están destinados a adsorberse sobre fibras hidrofílicas (algodón) o hidrófobas (poliéster) poseen grupos polares más o menos importantes.
Se han podido desarrollar hoy en día agentes fluorescentes solubles en agua que resisten al hipoclorito u otros blanqueadores. Dicha resistencia se debe a que los átomos de nitrógeno de tales sustancias están presentes en estructuras altamente aromáticas de tipo benzo-triazole o benzo-furano.
Figura. 3.3.- Algunos mejoradores ópticos fluorescentes Enzimas
Los surfactantes con actividad biológica contienen enzimas tales como esperasa, savinasa o alcalasa. Estas enzimas son proteasas capaces de degradar rápidamente manchas de proteínas en un medio de pH alcalino y a temperatura de hasta 60°C. Su actividad permite la utilización de un medio detergente en frio, particularmente en detergentes líquido, para remojado a temperatura ambiente.
Perfumes
En detergentes de uso doméstico, particularmente para lavaplatos y desinfectantes, se incorporan perfumes, la mayoría de los cuales son terpenos, es decir sustancias cuyo esqueleto está compuesto de 2, 3 ó más unidades del isopreno (2 metil-butadieno).
Hasta los años 60, el aceite de terebentina o trementina, que se obtiene de la resina del pino o como subproducto del pulpado de la madera, era una de las fuentes principales de materia prima para perfumes; contiene los monoterpenos bicíclicos
alfa y beta-pinenos, los cuales se transforman fácilmente en una variedad de derivados oxigenados con fragancia particular. La esencia de citronela y la esencia de eucalipto contienen también varios terpenos odoríferos. Los más utilizados son los siguientes (véase Figura. 3.4.- Algunos perfumes usados en detergentes y jabones, y sus precursores terpénicos).
Hidroxicitronelal (olor de lirio) Geraniol (olor de geranio) Citronelal (olor de limón) Citronelol (olor de rosa) Linalol (olor de lavanda) Mentol (olor de menta fuerte)
Figura. 3.4.- Algunos perfumes usados en detergentes y jabones, y sus precursores terpénicos
Componentes inorgánicos
Son sales, bases y ácidos inorgánicos, que en proporción mucho mayor que la de los surfactantes orgánicos, entran en la composición de los detergentes.
Los ingredientes alcalinos, producen un efecto limpiador, preferentemente en los objetos de cerámica y vidrio, pero se utilizan también en la formulación de detergentes que se emplean en lavar materiales fibrosos y de superficie dura (Llamas, 2001).
Estos compuestos inorgánicos de los detergentes se agrupan en seis clases:
Álcalis, fosfatos, silicatos, sales neutras solubles, ácidos inorgánicos y auxiliares secundarios.
Si estos componentes inorgánicos, contribuyen significativamente a la obtención de la detergencia de la mezcla, se les llama “coadyuvantes”, de lo contrario, se conocen como “diluyentes o de relleno”.
Integrantes orgánicos
Se incorporan a la fórmula de los detergentes algunos aditivos orgánicos, en pequeña cantidad, con objeto de lograr en el producto final:
I.- La disminución del redepósito de la suciedad. II.- El secuestro de iones de metales pesados.
III.- El incremento del poder espumante y su estabilidad. IV.- El aumento de la solubilidad.
Otros componentes
Las formulaciones detergentes pueden contener también otras sustancias, dependiendo del uso final del producto.
Los hidrotropos son sustancias muy hidrofílicas destinadas a mejorar la solubilización del surfactante en formulaciones líquidas. Los hidrotropos no tienen en sí mismos propiedades surfactantes pero actúan como cosolubilizadores a alta concentración. Los más utilizados son los sulfonatos de tolueno, etil-benceno y xileno.
Ciertos agentes anticorrosión se añaden a las formulaciones detergentes para proteger las partes metálicas de los artefactos de lavar. En general se usa el silicato de sodio que posee además un papel secundario como mejorador.
Ciertas formulas desinfectantes contienen bactericidas, los cuales pueden ser surfactantes anfóteros que actúan también como dispersantes de jabones de calcio o catiónicos que además producen un efecto suavizador por sus propiedades antiestáticas.
Los desinfectantes pueden también contener productos clorados bactericidas y sustancias con propiedades desodorantes.
Ciertos polvos para fregar y raspar contienen abrasivos como polvo de piedra pomez, talco o arcillas.
3.1.3 Los detergentes y la biodegradabilidad
La biodegradabilidad, es la propiedad que tienen algunas sustancias químicas complejas, de ser rebajadas en su estructura, para formar productos más sencillos (Llamas, 2001).
Según la legislación vigente, en un paquete de detergente se puede poner la palabra "biodegradable" si el tensoactivo deja de tener un 90% de su propiedad de disminuir la tensión superficial del agua 28 días después de ser vertido al agua (las sustancias tensoactivas causan perjuicios a la vida acuática).
Según los fabricantes ecológicos, este grado de biodegradabilidad no es suficiente. Por otro lado, la ley no dice nada del resto de ingredientes, que pueden llegar a significar un 80% del detergente. En los detergentes convencionales, estos ingredientes no son biodegradables y son tóxicos para la vida acuática (en especial los derivados del petróleo). A pesar de la proliferación de depuradoras, en las aguas marinas se hallan residuos tóxicos de detergentes.
En su inicio la materia prima de los detergentes, provenía del compuesto petroquímico llamado “Alquil Benceno Ramificado” con forma molecular muy compleja y en consecuencia su degradación en el medio ambiente era muy retardada. A los detergentes elaborados con este petroquímico, se le conoce como “duros” o de lenta biodegradación.
Después de tiempo y arduas investigaciones, se logró producir un detergente con estructura molecular más sencilla: el Alquil Benceno Lineal, para sustituir al inicial “ramificado” y con ello reducir significativamente el tiempo de su biodegradación. A los detergentes que utilizan este producto en su formulación, se les conoce como “blandos” o biodegradables.
3.1.4 Estudio realizado a lavadoras de ropa en el consumo de agua
Con el desarrollo tecnológico y la demanda el uso de la lavadora va en incremento y por consecuencia un mayor uso de agua.
Para dar a conocer la calidad de las lavadoras de ropa que se comercializan en el mercado y orientarlo en la decisión de compra, los especialistas del Laboratorio de Pruebas de PROFECO analizaron 64 modelos de lavadoras nacionales y de importación (ver tabla 3.1.- Estudio realizado a diferentes marcas de lavadoras), en
En la tabla anterior se puede observar que hay lavadoras que utilizan una cantidad pequeña de agua como la lavadora Samsung modelo WA1346DO que utiliza 19L en cada ciclo pero también existen lavadoras que consumen una cantidad considerable de este vital liquido como la Samsung modelo WA1646DO que tiene una capacidad de hasta 210L de agua en cada ciclo.
3.2 Tratamiento fisicoquímico
Uno de los pasos más importantes en los procesos convencionales de depuración de agua residual es la eliminación de sólidos en suspensión y partículas coloidales que se mantienen de forma estable en el agua. Esto se consigue en los tratamientos primarios o físico químicos de las depuradoras. Consistentes en una adición de reactivos en mezcladores y una decantación lenta, son capaces de eliminar del 80 al 90% de la materia total suspendida, del 40 al 70% de la DBO 5 y del 30 al 40% de la DQO.
La presencia en el agua de partículas sólidas disueltas o en suspensión es el principal contaminante visible de un agua residual; turbiedad, coloración, suciedad, etc. pueden detectarse fácilmente en el agua.
Los sólidos de mayor tamaño pueden observarse a simple vista y, dejando la suspensión en reposo, se pueden separar bien por decantación o por flotación, dependiendo de las densidades relativas del sólido y del agua. En casos muy concretos es posible y viable la separación por filtrado.
Los pequeños sólidos, denominados coloides, con un tamaño comprendido entre 0,001 y 1 micra no se aprecian a simple vista, pero constituyen la causa principal de la turbiedad. Debido a la gran estabilidad en el agua, resulta imposible separarlos por decantación, flotación o filtración. Esta estabilidad se debe a que poseen cargas superficiales electrostáticas del mismo signo, generalmente negativas, que generan fuerzas de repulsión entre ellas y les impide aglomerarse para sedimentar.
El tratamiento físico químico, compuesto por una fase de coagulación, otra de floculación y una decantación final.
3.2.1 Coloides
Son sólidos finamente divididos que no sedimentan por acción de la gravedad, pero que pueden removerse del agua mediante coagulación, filtración o acción biológica. El diámetro de los coloides varía entre 1 y 100 nm, no hay límites definidos para estas partículas por lo que tienen un tamaño intermedio entre las partículas en
solución verdadera y las partículas en suspensión. Los límites enumerados en la siguiente tabla son aproximados, ya que el tamaño y la naturaleza coloidal son los que determinan si la naturaleza es coloidal (Castro, Pérez, 1981).
Tabla 3.2.- Efecto al disminuir el tamaño de las partículas
*Área de partículas del tamaño indicado, producida a partir de una partícula de 100mm de diámetro y gravedad específica de 2.65.
**Cálculos basados en esferas con gravedad específica de 2.65 que sedimentan 30cm.
Se encuentran asociadas a los coloides:
El movimiento browniano y área superficial muy grande. Debido al tamaño de esa superficie los coloides absorben iones en cantidades desiguales, dando origen a la formación de una carga eléctrica que contribuye a su estabilidad, el resultado de estas propiedades es una colisión constante entre partículas.
Los coloides se dividen de acuerdo a su afinidad con el agua en hidrofóbicos (odiosos del agua) e hidrofílicos (amantes del agua) ver Tabla 3.3.- Características de los coloides:
Tabla 3.3.- Características de los coloides.
En las aguas naturales la carga de los coloides es comúnmente negativa.
El grado de estabilidad de una partícula está dado por el potencial zeta el cual se relaciona con la carga de la partícula y la distancia a través de la cual la carga es efectiva.
3.2.3 Propiedades de los coloides
Las principales propiedades que definen el comportamiento de los coloides en el agua son las cinéticas, ópticas, de superficie y electrocinéticas.
3.2.4 Propiedades cinéticas
Las cinéticas son las propiedades que definen el comportamiento de las partículas coloidales referidas a su movimiento en el agua.
a) Movimiento browniano
Las partículas coloidales, dentro de la fase líquida, presentan un movimiento constante e irregular, que se ha denominado movimiento browniano. Su nombre proviene de su descubridor, el botánico escocés Robert Brown (1773-1858), quien
observó por primera vez bajo el microscopio este movimiento constante en las partículas provenientes del polen.
La teoría cinética explica este fenómeno como resultado del bombardeo desigual y casual de las partículas en suspensión por las moléculas del líquido. Al elevarse la temperatura del líquido, las moléculas adquieren mayor energía cinética y aumenta el movimiento browniano.
El promedio de velocidad de las partículas puede expresarse con la fórmula siguiente: m NT R v / ……….ec.1 Donde:
R = constante molar de los gases = PV / T N = número de Avogadro (6,02 x 1023) T = temperatura absoluta (°K)
m = masa de la partícula
El valor R/N = K es comúnmente llamado constante de Boltzman.
Es importante recordar que el movimiento browniano solo puede explicar la estabilidad de las dispersiones coloidales más pequeñas. Para tamaños de partículas mayores, los factores más importantes son las corrientes de convección termal y las velocidades bajas de sedimentación.
b) Difusión
Debido al movimiento browniano, es decir, al movimiento constante de las moléculas o partículas en el agua, las partículas coloidales tienden a dispersarse por todas partes en el sistema hídrico. A este fenómeno se le llama difusión.
Como es de esperarse, la velocidad de difusión es menor que la velocidad media de las partículas en el movimiento browniano.
c) Presión osmótica
La ósmosis es el flujo espontáneo que se produce cuando un disolvente (agua) atraviesa una membrana que la separa de un sistema coloidal (agua + coloides). Esta membrana es permeable al solvente pero no a los coloides; por tanto, la dilución puede ocurrir únicamente con el movimiento del solvente hacia el sistema coloidal a través de la membrana.
Este fenómeno ocurre en forma espontánea. Al transporte del solvente hacia la solución se le denomina flujo osmótico.
A la presión hidrostática necesaria para detener el flujo osmótico, que alcanza así un estado de equilibrio, se le denomina presión osmótica.
En la práctica, es posible calcular el número de partículas y el peso promedio de ellas en sistemas coloidales mediante la determinación experimental de la presión osmótica.
3.2.4.1 Propiedad óptica: efecto Tyndall-Faraday
El efecto Tyndall-Faraday es un fenómeno por el cual las partículas coloidales provocan la dispersión de la luz cuando esta pasa a través de una suspensión coloidal. Esta dispersión es directamente proporcional al tamaño de las partículas. La determinación nefelométrica de la turbiedad utiliza el efecto de Tyndall-Faraday para su medición. Cabe destacar, sin embargo, que por la naturaleza de la medición, la turbiedad no se relaciona con el número de partículas que la provocan, ni siquiera con la masa total.
3.2.4.2 Propiedad de superficie: adsorción
Las partículas coloidales se caracterizan por tener una gran superficie específica, definida como la relación entre el área superficial y la masa.
La gran superficie específica da a los coloides una gran capacidad de adsorción y, por tanto, no resulta práctico sedimentar las partículas coloidales sin tratamiento químico previo.
3.2.4.3 Propiedad electrocinética: Electroforesis
La electroforesis es un fenómeno que permite demostrar que las partículas coloidales tienen carga eléctrica. Consiste en hacer pasar una corriente directa a través de una solución coloidal, experimento que permite observar que las partículas son atraídas por el electrodo positivo o por el negativo, lo que demuestra que poseen carga eléctrica. Este fenómeno es muy importante porque permite comprender la estabilidad de las dispersiones coloidales. Por lo general, los coloides presentan carga negativa; es decir, en la electroforesis son atraídos por el electrodo positivo. Una celda de electroforesis permite calcular el potencial zeta de un sistema coloidal, que es una función de la densidad de las cargas absorbidas, y se mide en milivoltios. Frecuentemente, el potencial zeta se encuentra entre 30 y 40 milivoltios, cuando un coloide es estable. Cuando cae a menos de 15 ó 20 milivoltios, es posible la coagulación y el coloide tiende a sedimentar.
La importancia de la remoción del color en el agua está relacionada también con los aspectos de aceptabilidad del consumidor y usuario, sea este doméstico o industrial, lo que incluye los siguientes aspectos:
a) Estética. Por lo general, el consumidor prefiere un agua clara y sin color. b) Sabor. El color puede impartir sabor al agua.
d) Nutrientes. Por su naturaleza, en algunos casos, el color puede actuar como nutriente de las bacterias y algas.
e) Requerimientos industriales. Muchas industrias requieren un agua que no presente color o que tenga uno muy bajo.
f) Resinas de intercambio. El color puede ensuciar y dañar las resinas de intercambio aniónico.
g) Análisis. El color puede interferir en las mediciones colorimétricas de análisis. h) Productividad. El exceso de color puede reducir la productividad del agua.
i) Quelación. El color puede aumentar la concentración de hierro soluble, manganeso y plomo en el agua y estabilizar su presencia por medio de la quelación1.
j) Salud. El color puede deberse a la presencia de desechos tóxicos (Barrenecha) 3.2.5 Teoría de doble capa.
Las partículas coloidales se caracterizan por poseer dos capas eléctricas alrededor, las cuales provocan su estabilidad (ver fig. 3.5.- Configuración esquemática de la doble capa eléctrica). La capa interna consiste en cationes y aniones, pero en general tiene una carga neta negativa. La capa externa comprende cationes
intercambiables como Na+, K+, Ca+2, Mg+2, H+; etc.
El potencial zeta se refiere al contorno del solvente adherido a la partícula en su movimiento y el solvente que puede moverse con respecto a la partícula. El potencial zeta es la medida en milivoltios, del potencial eléctrico entre la capa fija y la capa exterior de iones de carga contraria que rodean el coloide (ver figura. 3.6.- Modelo de la doble capa difusa de Stern- Gouy).
La ecuación de Helmholtz define el potencial zeta como:
D Sq
L 4 ……….ec.2
L= potencial zeta
q= carga sobre la partícula o potencial de Nerst D= constante dieléctrica del líquido
S= espesor de la zona de influencia de la carga sobre la partícula
Figura. 3.6.- Modelo de la doble capa difusa de Stern- Gouy
La estabilidad de los coloides depende de la resultante de las fuerzas de atracción y de repulsión que actúan sobre ellos. Las fuerzas de atracción, llamadas fuerzas de Wander Waals son causadas por la interacción de los dipolos de las partículas. La fuerza de repulsión se debe al potencial zeta. Por lo tanto para lograr la aglomeración de las partículas se debe reducir la fuerza de repulsión de tal manera que las fuerzas de atracción prevalezcan y se logre la colisión de partículas para formar agrupaciones que se puedan remover fácilmente por sedimentación.
La disminución de la estabilidad de las partículas se logra por los siguientes mecanismos:
a) Ajustando el pH al punto isoeléctrico, esto es al pH para el cual la carga neta de la partícula se anula y el potencial zeta se hace cero.
b) Añadiendo iones de carga eléctrica contraria a la de los coloides a remover, lo cual produce un doble efecto, primero, disminución de la carga eléctrica neta del coloide con respecto al resto de la solución, reduciendo la distancia a través de la cual la carga es efectiva. Mientras mayor sea la valencia del ion que se añade mayor será su poder de coagulación.
Esto se establece de acuerdo con la ley de Schulze- Hardy:
“La precipitación de un coloide es efectuada por aquel ion del electrolito añadido que tenga una carga opuesta en signo a la de las partículas coloidales, y el efecto de dicho ion se incrementa tanto más cuanto mayor sea el número de cargas que posea”.
3.3 Coagulación
Este proceso de tratamiento consiste en agregar al agua un producto químico con propiedades coagulantes, el cual actúa sobre las sustancias disueltas y coloides contenidos en el agua, transfiriéndoles sus iones, o elementos, para que se unan formando los flóculos.
Los factores que más influyen en el desarrollo del proceso son:
El tipo de coagulante: sulfato de aluminio, sulfato férrico, sulfato de calcio, cloruro férrico, etc.
La dosis del coagulante.
Contenido y tipo de color y turbiedad
Otras características químicas del agua como: la alcalinidad natural, contenido de fierro, materia orgánica, etc.
La concentración de iones hidrogeno en el agua (pH): existe un pH óptimo para flocular el agua.
El tiempo de mezcla rápida de floculación. Existe un tiempo óptimo en cada caso, con el cual se obtiene la mayor remoción de turbiedad y color.
Temperatura. Las altas temperaturas favorecen la coagulación. El consumo de coagulante es mayor cuando se tienen temperaturas bajas.
Agitación. Cuando la agitación a la que se somete el agua durante la floculación es demasiado baja, la formación de flóculos disminuye, dificultando la decantación. Si la agitación es muy violenta, los flóculos formados se quiebran rápidamente en partículas menores, produciendo un retardamiento en la decantación.
Utilización de ayudantes de floculación. Los ayudantes de floculación (polielectrolitos) promueven la formación de floculos más densos y pesados. Las reacciones de coagulación son muy sensibles también al contenido de sustancias minerales en el agua.
Las aguas con alto contenido de coloides negativos de color, las reacciones de coagulación son más efectivas en un rango de pH que puede variar entre 4.4 y 6.0. En el proceso de coagulación se puede considerar que se realiza en las siguientes fases, sea en forma consecutiva o simultáneamente:
Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas en suspensión.
Formación de compuestos químicos poliméricos Adsorción de cadenas poliméricas por los coloides. Adsorción mutua de coloides
Acción de barrido. 3.3.1 Tipos de coagulación
Se presentan dos tipos básicos de coagulación: por adsorción y por barrido. a) Coagulación por adsorción
Este tipo de coagulación se presenta cuando existe en el agua una alta concentración de partículas en estado coloidal. Por la gran cantidad de coloides presentes la distancia entre ellos es pequeña, siendo por lo tanto mayor la fuerza de atracción y la energía requerida para su desestabilización, así como el potencial zeta resultante.
b) Coagulación por barrido
Este tipo de coagulación se presenta cuando el agua es clara y el porcentaje de partículas coloidales es pequeño. En este caso las partículas son entrampadas al
