I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015 DE RIEGO Y DRENAJE 23 Y 24 de noviembre de 2015
Jiutepec, Morelos
REDUCCIÓN DE BORO EN AGUA DE POZOS
PARA RIEGO
José Luz González Chávez
Daniel Calderón Maldonado
Francisco Martín Romero Chávez
Fabiola Vega García
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE QUÍMICA/INSTITUTO DE GEOLOGÍAÍndice
Antecedentes
Justificación
Objetivos
Metodología
Resultados
Conclusiones
Referencias
Antecedentes
Boro
Metaloide presente en la naturaleza en forma de
boratos, ácido bórico y borosilicatos.
Boro en agua
Ácido bórico [H
3BO
3] y borato [B
(OH)
− 4]
Efectos del Boro
El Boro es uno de los elementos más problemáticos en el suelo, debido
a su estrecho margen entre beneficio y toxicidad.
Deficiencia de Boro ocasiona problemas de crecimiento y movimiento
de azúcares en las plantas.
Exceso de boro
En hojas adultas: Fuertes quemaduras y
desecaciones en el extremo de los folíolos.
Produce la muerte del cultivo.
Figura 2. Hojas de cítricos afectadas por toxicidad por boro. Limonero (A),
Las fuentes de boro en sistemas de aguas
subterráneas poco profundas
•
Contaminación natural de B en aguas
superficiales.
•
Fertilizantes, herbicidas e insecticidas.
•
Aguas y desechos mineros.
•
Residuos de detergentes y productos de
limpieza, liberados en las aguas superficiales a
través de las aguas residuales tratadas y sin
tratar.
Métodos de remoción de Boro
7
Procesos Físicos Procesos Químicos
Procesos de membrana:
Principalmente ósmosis inversa acoplada a adsorción o intercambio iónico. Electrocoagulación Coagulación-Floculación Intercambio Iónico Adsorción
•
Las altas concentraciones de boro en el agua de riego
ejercen un efecto tóxico en las plantas.
•
Concentración de B en el agua de los pozos de la
compañía Hortalizas Argaman®:
Pozo 1: 0.9 ppm B
Pozo 2: 2.6 ppm B
Pozo 3: 0.7 ppm B
Pozo 4: 1.0 ppm B
Flujo: 4-8 L/s
Flujo: 14- 20 L/s
Flujo: 4-8 L/s
Flujo: 4-8 L/s
Justificación
Normatividad
Norma NMX-AA-063-SCFI-2001. (Método espectrofotométrico).
Norma NMX-AA-063-1981. (Método potenciométrico).
Se requiere de un método eficiente para la determinación
de boro en aguas naturales.
Objetivo general
Evaluar materiales abundantes en óxidos e hidróxidos de
calcio, magnesio y hierro como adsorbentes de boro.
Obtener un método accesible para cuantificar boro en una
cantidad extensa de muestras, en poco tiempo, de modo
económico y obteniendo resultados confiables y precisos.
Objetivos particulares
•
Comparar entre dos métodos de análisis para la cuantificación de
boro en agua.
•
Optimizar los métodos de análisis conocidos.
•
Comparar entre cinco materiales “naturales” para la remoción de
boro en agua de pozo.
•
Comparar entre cuatro materiales de grado industrial para
disminuir la concentración de boro en aguas de pozo.
•
Optimizar el material más adecuado para reducir la concentración
Tratamiento de la muestra
Agregar HNO
3conc. hasta
pH < 2 y mantener a 4 °C.
Filtrar con una membrana de
0.45 µm.
Practicar el desarrollo de
color indicado para los
estándares.
Tomar una alícuota de 1 mL.
Método espectrofotométrico- Formación de Rosocianina
(rojo)
Problemática: Interferentes
Preservación de la muestra con HNO
3hasta pH < 2.
Interferencia: Concentración de nitratos mayores a 20 ppm.
Filtración con membrana de 0.45
𝞵
m.
Interferencia: Partículas coloidales.
Exceso de curcumina, insoluble en agua.
“Interferencia”, la matriz es agua.
Lectura de Abs λ=540 nm.
Absorbancia de la rosocianina λ= 550.6 nm.
14
* El método se aplica para la
determinación de boro en un
intervalo de concentraciones
entre 0.1 y 1.0 ppm
15
Las membranas superiores corresponden
a la filtración del agua del Pozo 3 y las
inferiores a la filtración del agua del
Pozo 2. La de la izquierda es la
membrana de 0.45 µm y la de la derecha
la de la membrana de 0.20 µm.
Figura
3.
Fotografías
de
las
membranas utilizadas para filtrar el
agua de los Pozo 2 y Pozo 3.
Pruebas de remoción de boro con diversos materiales
Pesar 3.5 g de material y
transferirlo a un matraz
Erlenmeyer de 250 mL.
Agregar 70 mL de agua con boro.
Conservar en agitación constante
a 350 rpm por 1 hora.
Ajustar el pH a:
•
9.5
•
10
•
10.5
Medir 50 mL de líquido y
determinar [B] por el método
potenciométrico.
Filtrar y recuperar el líquido
Optimización y ciclos de uso de MgO y cal.
(Utilizando el material 10 veces continuas)
Pesar 3.5 g de material y
transferirlo a un matraz
Erlenmeyer de 250 mL.
Agregar 70 mL de agua con boro.
Conservar en agitación constante
a 350 rpm por 1 hora.
Medir 50 mL de
líquido y
determinar [B]
por el método
potenciométrico.
Filtrar y recuperar el líquido
en recipientes de polietileno.
Filtrar y recuperar
el sólido.
Transferirlo nuevamente al
matraz.
Añadir 70 mL
de agua con
B.
Repetir los pasos
Resultados
Características y parámetros generales del agua de los pozos
Pozo
CE µS/cm
STD, mg/L
T °C
pH
Pozo 1
739
523
25.9
7.46
Pozo 2
1050
744
31.7
8.08
Pozo 3
721
513
25.7
7.41
Pozo 4
835
592
26.5
7.43
Muestra Na + K+ Ca2+ Mg2+ F- Cl- NO 3- SO42- HCO3 -mg/L Pozo 1 49.0 8.3 38.8 10.4 0.5 18.6 28.0 17.7 234.5 Pozo 2 116.3 6.4 7.4 5.8 2.3 57.3 LD 0.6 318.2 Pozo 3 45.4 6.8 40.3 15.4 0.6 10.5 38.2 12.4 234.5 Pozo 4 62.6 8.0 34.3 13.6 0.7 28.4 25.5 19.1 244.5
Clave Tiempoagitación de (h)
pH
inicial pHfinal %eliminadoB pH final %eliminado B Agua del Pozo 2
Terrero 1 7.9 8.6 1.63 10.76 23.36 Jalisco 1 7.9 8.3 0 11.06 9.01 Escoria 1 7.9 12.2 33.19 Fe-Oxihidróxido 1 7.9 7.8 6.14 10.72 22.54 Ladrillo 1 7.9 8.1 1.22 11.27 24.59
Tabla 3. Pruebas de retención de boro disuelto en diferentes
materiales a diferentes pH
Pruebas de remoción de boro con residuos mineros y
ladrillo rojo
Pruebas de eliminación de boro con compuestos de
calcio y de magnesio
Tabla 4. Adsorción a pH 9.5, 10 y 10. 5 con materiales de grado
industrial.
Material
pH inicial
pH fijado
% B retenido
Carbonato
de
calcio (CaCO
3)
7.9
9.55
29.09
7.9
10.01
29.09
7.9
10.53
33.60
Carbonato
de
magnesio
(MgCO
3)
7.9
9.51
31.14
7.9
10.01
42.21
7.9
10.51
49.18
Cal viva
7.9
11.61
71.31
Óxido
de
magnesio
(MgO)
7.9
9.80
73.36
7.9
10.04
74.59
7.9
10.50
81.14
Utilizando el óxido de magnesio 10 veces discontinuas
Tabla 5. Ciclos de adsorción con óxido de magnesio sin lavar y con
lavado.
Muestra pH disolución sin
lavar % B retenido pH disolución con lavado % B retenido Agua sin tratamiento 7.86 0 7.86 0 Ciclo 1 9.86 51.38 9.86 65.27 Ciclo 2 9.95 45.83 9.91 51.38 Ciclo 3 10.00 44.44 10.01 50.00 Ciclo 4 10.03 43.05 9.94 69.44 Ciclo 5 9.94 61.11 9.98 63.88 Ciclo 6 10.01 61.11 9.99 63.88 Ciclo 7 9.98 61.11 10.00 59.72 Ciclo 8 10.02 55.55 10.00 72.22 Ciclo 9 10.01 58.33 10.01 66.66 Ciclo 10 10.00 69.44 9.98 63.88
Figura 4. Comparación entre la efectividad del óxido de magnesio sin
lavar (azul), lavado (rojo); cal viva sin lavar (verde) y lavada (morado).
Características finales del agua tratada con MgO
pH C.E.
Na
+K
+Ca
2+Mg
2+F
-Cl
-NO
3-SO
42-HCO
3-µS/c
m
ppm
Agua
inic.
9.3 1285 116.3
6.4
7.4
5.8
2.3
57.3
LD
0.6
318.2
Agua
trat.
9.3 1285 198.4 10.0
21.7
77.0
0.1
63.3 16.1
1.4
915
Tabla 6. Características e iones mayoritarios del agua antes y después del tratamiento.
pH C.E.
Na
+K
+Ca
2+Mg
2+F
-Cl
-NO
3-SO
42-HCO
3-µS/c
m
ppm
Mezcla 8.8 973
131.1
10.54 22.42 40.14 0.43 33.44 1.68
9.32
610
pH C.E.
Na
+K
+Ca
2+Mg
2+F
-Cl
-NO
3-
SO
42-HCO
3-µS/cm
ppm
Mezcla 6.04 813
135.82
17.06 26.26 41.14 0.41 33.09 0.43 26612
25
Tabla 8. Características e iones mayoritarios de la mezcla del agua de los 4 pozos a pH= 6.
[B] (ppm)
Dureza [CaCO
3] (ppm)
Mezcla final (pH=6)
0.97
241
Tabla 9. Concentración de boro y dureza de la mezcla final del agua de los 4 pozos.
El agrónomo de la compañía evaluó las características del agua
y concluyó que ésta es adecuada para los cultivos de su interés.
Conclusiones
Es importante eliminar las interferencias en el método espectrofotométrico, por ejemplo, la adición de ácido nítrico a las muestras para su preservación; y asegurarse de tener una
muestra libre de partículas coloidales.
Aunque la NMX-AA-063-1981 quedó cancelada al entrar en vigor la NMX-AA-063-SCFI-2001, el método que se pone a disposición (método del manitol) es un procedimiento de fácil aplicación y con mayor tolerancia a los desvíos de variables como la temperatura de trabajo.
La reducción de la concentración de boro con los materiales no convencionales depende del pH, es conveniente fijar el pH de la disolución mayor a 9.2.
El óxido de magnesio y la cal viva se eligieron como los adsorbentes no convencionales para la reducción de boro del agua del Pozo 2, obteniéndose una concentración menor a 1.0 ppm, lo cual la hace ideal para su destino.
El óxido de magnesio se puede reutilizar sin lavar hasta 10 veces en proporción
sólido:líquido 1:20 disminuyendo la concentración del agua del Pozo 2 de 2.44 ppm a 1.09 ppm.
El agua tratada con óxido de magnesio (proveniente del Pozo 2) combinada con el agua de los 3 pozos restantes y ajustando el pH a un valor de 6, tiene las características