Desinfección y remoción de arsénico del agua por fotocatálisis heterogénea

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(1)CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO. Desinfección y remoción de arsénico del agua por fotocatálisis heterogénea. TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRÍA EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA AMBIENTAL Presenta: Laura Gabriela Córdova Villegas. Asesor: Dra. María Teresa Alarcón Herrera. CHIHUAHUA, CHIH. Introducción. MARZO, 2013 Página i.

(2) Contenido ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... V ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................... VII RESUMEN ............................................................................................................................ 1 CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 1 1.1. PROBLEMÁTICA GENERAL ......................................................................................... 1. 1.2 PROBLEMÁTICA DEL ARSÉNICO .................................................................................. 3 1.2.1. Orígenes del Arsénico .......................................................................................... 3 1.2.2. Especiación del arsénico ....................................................................................... 3 1.2.3.. Vías de exposición a arsénico .......................................................................... 4. 1.2.4.. Problemas ocasionados por exposición al arsénico ........................................ 5. Cáncer ...................................................................................................................... 5 Otros efectos no cancerígenos ................................................................................. 6 1.3 NORMATIVIDAD PARA ARSÉNICO ................................................................................... 6 1.4. DISTRIBUCIÓN DE ARSÉNICO ......................................................................................... 8 1.4.1. Distribución de arsénico en América Latina ........................................................ 8 1.4.2. Presencia de arsénico en el mundo ..................................................................... 10 1.4.5. Presencia de arsénico en México ........................................................................ 11 Presencia de arsénico en Chihuahua. ................................................................... 13 1.5 CALIDAD BACTERIOLÓGICA DEL AGUA ........................................................................ 14 1.5.1 SITUACIÓN EN MÉXICO. CALIDAD BACTERIOLÓGICA ................................................ 15 Sobreexplotación de acuíferos ............................................................................... 17 Eficiencia de cloración .......................................................................................... 17 Concentraciones de coliformes en México ............................................................ 18 1.5.2 ORGANISMOS INDICADORES ...................................................................................... 19 1.5.3. NORMATIVIDAD PARA COLIFORMES TOTALES Y FECALES ....................................... 20 CAPITULO 2. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA .............................................................. 21 2.1 MÉTODOS DE REMOCIÓN DE ARSÉNICO ...................................................................... 21 2.1.1 Costos métodos de remoción de arsénico ............................................................ 26 Introducción. Página i.

(3) 2.2 MÉTODOS DE DESINFECCIÓN DEL AGUA ...................................................................... 28 2.3 FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA .................................................................................... 31 2.3.1 Procesos de oxidación química avanzada. Fotocatálisis heterogénea. ............... 31 2.3.2. Estado del arte .................................................................................................... 32 2.3.3. Agente catalizador. Dióxido de titanio ............................................................... 35 2.3.4 Proceso ................................................................................................................. 39 2.3.5 Cloruro férrico ..................................................................................................... 43 2.3.6 Material PET ........................................................................................................ 45 2.4. TÉCNICAS USADAS PARA CARACTERIZAR MATERIALES ........................................... 47. 2.4.1. Microscopio electrónico de transmisión (TEM) ................................................. 47 2.4.2 Microscopio electrónico de barrido (SEM) ....................................................... 48 2.4.3.. Difracción de rayos X (XRD) ......................................................................... 49. 2.4.4 Método de Brunauer- Emmett-Teller (BET). Área superficial .......................... 50 2.4.5 Espectroscopia Fotoelectrónica de rayos X (XPS) ............................................ 52 CAPITULO 3. HIPÓTESIS Y OBJETIVOS ................................................................... 53 3.1. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 53. 3.2. HIPÓTESIS ............................................................................................................... 53. 3.3. OBJETIVO GENERAL ................................................................................................ 54. 3.3.1 Objetivos específicos .......................................................................................... 54 4.. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL...................................................................... 56 4.1 CARACTERIZACIÓN. DEL MATERIAL UTILIZADO COMO CATALIZADOR. (DIÓXIDO. DE. TITANIO), FUENTE DE AGUA A UTILIZAR Y DE LA PELÍCULA DE IMPREGNACIÓN. ................. 57. 4.1.1. Caracterización del TiO2 .................................................................................... 57 4.1.2. Caracterización de la película de impregnación ................................................ 59 4.1.3. Caracterización de la fuente de agua utilizada ................................................. 59 4.2. DETERMINAR. LA MEJOR TÉCNICA PARA SOPORTAR EL CATALIZADOR DIÓXIDO DE. TITANIO EN BOTELLAS Y TUBERÍA DE PET. .......................................................................... 62. 4.2.1 Optimización del proceso de impregnación ......................................................... 62 4.4. PLAN DE TRABAJO. ..................................................................................................... 64 4.4.1. Pruebas experimentales ...................................................................................... 64 Introducción. Página ii.

(4) 4.4.2 Diseño experimental............................................................................................. 67 4.4.3 Etapa 1 a) y 1b) Nivel botella con radiación artificial UV-A y radiación solar . 68 4.4.4 Etapa 2. Flujo continuo...................................................................................... 70 4.5. DETERMINACIÓN DEL. TIEMPO DE VIDA DEL MATERIAL .......................................... 71. 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................... 72 5.1 CARACTERIZACIÓN DIÓXIDO DE TITANIO .................................................................. 72 5.1.1 Área superficial (BET) ........................................................................................ 72 5.1.2 Difracción de rayos X .......................................................................................... 73 5.1.3 Microscopio electrónico de transmisión (TEM) .................................................. 75 5.1.4. Microscopio electrónico de barrido (SEM) ....................................................... 77 5.1.5 Características físicas del dióxido de titanio ....................................................... 78 5.2 CARACTERIZACIÓN DE LA FUENTE DE AGUA ................................................................ 79 5.3 CARACTERIZACIÓN DE LA PELÍCULA DE TIO2 IMPREGNADA EN EL PET ....................... 81 5.3.1 SEM ...................................................................................................................... 81 5.3.2 RAYOS X .............................................................................................................. 83 5.3.3. Espesor de la película de TiO2 y su activación ................................................. 84 5.4 IMPREGNACIÓN DE LAS BOTELLAS ............................................................................... 85 5.4.1Pruebas con acetato .............................................................................................. 87 5.4.2 Pruebas de impregnación con acido perclórico ................................................. 89 5.4.3 Pruebas impregnación de la tubería .................................................................... 90 5.5 FACTORES CRÍTICOS DEL PROCESO ............................................................................... 91 5.6 RESULTADOS MEDICIONES DE INTENSIDAD DENTRO DE LA BOTELLA ........................... 92 5.6.1 Cantidad de radiación ultravioleta absorbida por la película impregnada ........ 94 5.7 DESINFECCIÓN DEL AGUA ............................................................................................ 97 5.8 RESULTADOS DE REMOCIÓN DE ARSÉNICO ................................................................. 104 5.8.1 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE EXPOSICIÓN Y CONCENTRACIÓN DE HIERRO (III) ........ 104 5.8.1 Influencia del pH y concentración de Fe ........................................................... 107 5.9 DISEÑO EXPERIMENTAL DEL PROCESO DE SEPARACIÓN DE ARSÉNICO PARA DETERMINAR LAS CONDICIONES ÓPTIMAS.............................................................................................. 109. 5.10 RESULTADOS EXPERIMENTACIÓN CON LÁMPARAS DE LUZ ULTRAVIOLETA .............. 114 5.11 FLUJO CONTINUO ..................................................................................................... 115 Introducción. Página iii.

(5) 5.11. 1Cálculo de flujos. Flujo continuo para el diseño experimental disponible ..... 115 5.11.2 Desarrollo experimental. Flujo continuo ......................................................... 117 5.11.3 Desarrollo experimental. Flujo continúo con diseño de experimentos. .......... 118 5.12 CALIDAD DEL. AGUA TRATADA ................................................................................ 119. 5.13 DETERIORO DE LA PELÍCULA IMPREGNADA EN FUNCIÓN DEL USO ............................ 120 5.14 EFICIENCIA. DE SEPARACIÓN DE ARSÉNICO EN DÍAS NUBLADOS Y EFECTIVIDAD DEL. PROCESO DE FILTRACIÓN. ................................................................................................. 121. CONCLUSIONES ............................................................................................................ 123 RECOMENDACIONES .................................................................................................. 124 TRABAJOS CITADOS.................................................................................................... 125 APÉNDICES ..................................................................................................................... 134 APÉNDICE I ...................................................................................................................... 134 APENDICE II ................................................................................................................. 140 APENDICE III ................................................................................................................ 143 APÉNDICE IV ................................................................................................................... 145 APÉNDICE V..................................................................................................................... 147. Introducción. Página iv.

(6) Índice de figuras Ilustración 1. Diagrama Eh Vs pH para arsénico. 25°C y 1 atm con arsénico total de 10. -5. My. -3. sulfuro total a 10 M. ........................................................................................................................... 4 Ilustración 2. Efectos de arsénico en la piel. ....................................................................................... 5 Ilustración 3. Cáncer de piel en la palma de un paciente que ingirió agua contaminada con arsénico de un pozo por un largo periodo.......................................................................................................... 6 Ilustración 4.Latinoamérica. Distribución de acuíferos y aguas superficiales con problemas de As .. 9 Ilustración 5. Áreas documentadas del mundo con problemas de arsénico en aguas por contaminación natural de acuíferos mayores y por problemas relacionados a la minería y fuentes geotermales. ...................................................................................................................................... 10 Ilustración 6.Zonas contaminadas por arsénico ................................................................................ 11 Ilustración 7. Cobertura de sanitización en áreas rurales para el año 2010. .................................... 15 Ilustración 8. Mortalidad por enfermedades infecciosas intestinales en la población (1998-2005).. 16 Ilustración 9. Eficiencia de cloración para el año 2008 a nivel municipal en México. ..................... 18 Ilustración 10. Record histórico de publicaciones de fotocatálisis heterogénea ............................... 34 Ilustración 11.Potenciales redox de algunos de los semiconductores mas comunes frente. al. electrodo normal de H de los pares redox (O2/O2**) y (OH*/OH*). .............................................. 37 Ilustración 12. Proceso de fotocatálisis heterogénea. ........................................................................ 42 Ilustración 13. Radiación solar diaria en distintas regiones geográficas .......................................... 45 Ilustración 14. Símbolo Material PET............................................................................................... 46 Ilustración 15. Esquema de la ruta del rayo del microscopio electrónico de transmisión (TEM) ..... 48 Ilustración 16. Tipo de isotermas. BET............................................................................................. 51 Ilustración 17.Etapas consideradas en la metodología experimental ................................................ 56 Ilustración 18. Optimización procedimiento impregnación de botellas PET .................................. 63 Ilustración 19 . Diagrama de proceso. Desinfección del agua ......................................................... 65 Ilustración 20. a) Concentrador parabólico utilizado con lámparas ultravioleta, b) distribución de puntos para medir la intensidad de radiación en cada punto ............................................................. 67 Ilustración 21. Procedimiento de operación para flujo continuo....................................................... 71 Ilustración 22. Isoterma de adsorción BET para dióxido de titanio .................................................. 73 Ilustración 23. Difractrograma dióxido de titanio ............................................................................. 74 Ilustración 24. Composición del dióxido de titanio P25 Degussa. .................................................... 74 Ilustración 25. Imágenes dióxido de titanio a 11.5 kx, 66 kx y 250 kx respectivamente. ............. 77 Ilustración 26. Análisis TiO2 por microscopio electrónico de barrido. Composición química. ....... 78. Introducción. Página v.

(7) Ilustración 28. Micrografías película TiO2 tomado con el equipo SEM a) x100, b) x 2000 , c) x 5000. .................................................................................................................................................. 82 Ilustración 27. Composición inorgánica de la película de dióxido de titanio según espectro EDS del equipo SEM tomado a 3500x y 15 kV. ............................................................................................ 82 Ilustración 29. Composición de la solución de impregnación por rayos X. ...................................... 83 Ilustración 30. Soluciones de acetato de sodio y acido cítrico con dióxido de titanio. .................... 85 Ilustración 31. Impregnación botellas acido cítrico y acetato de sodio ............................................. 86 Ilustración 32. Impregnación botellas acido cítrico y acetato de sodio. Botellas secas. ................... 86 Ilustración 33. Botellas impregnación final. a) Acetato de sodio, b) acido cítrico, c) blanco ........... 87 Ilustración 34. Serie de botellas impregnadas con acetato de sodio................................................. 88 Ilustración 35. Película de impregnación acetato de sodio final. Prueba número 7. ......................... 88 Ilustración 36. Botellas impregnadas con acido perclórico. a) HClO4 2%, b) HClO4 5%, c) HClO4 10% ................................................................................................................................................... 90 Ilustración 37. Tubería impregnada con acido cítrico y dióxido de titanio. ...................................... 90 Ilustración 38. Tuberías impregnadas con ácido perclórico. a) sin impregnar, b) 2% HClO 4, c) 5% HClO4, d) 10% HClO4....................................................................................................................... 91 Ilustración 39. Puntos de medición de absorción de radiación ultravioleta. ..................................... 92 Ilustración 40. Proceso de cortado de botella .................................................................................... 95 Ilustración 41. Colocación del sensor ............................................................................................. 95 Ilustración 42. Desinfección del agua. Coliformes totales. Concentración de TiO2 en solución de impregnación 5%. pH 8. Concentración inicial 150NMP/100. Irradiación UVA solar promedio 8.205 mW/cm2. Concentración inicial de As (Co): 160 µg L-1 ......................................................... 98 Ilustración 43. Desinfección de coliformes totales utilizando radiación ultravioleta artificial. Concentración inicial promedio de 1000 NMP/100ml...................................................................... 99 Ilustración 44. Desinfección de E.coli utilizando radiación ultravioleta artificial. Concentración inicial promedio de 50.6 NMP/100ml. ............................................................................................ 100 Ilustración 45. Recrecimiento de coliformes totales. A) Fotocatálisis heterogénea, b) proceso de desinfección SODIS ........................................................................................................................ 101 Ilustración 46. Desinfección del agua con Co [coliformes totales] prom= 727 NMP/100ml ............. 102 Ilustración 47.Desinfección del agua. Concentración de TiO2 en solución de impregnación Acido cítrico: 4.37 % TiO2, acetato de sodio: 4.42% TiO2, blanco: 0% TiO2. pH 8. Concentración inicial 410.26NMP/100. Irradiación UVA solar promedio 8.417 mW/cm2. Concentración inicial de As (Co): 160 µg L- .............................................................................................................................. 103. Introducción. Página vi.

(8) Ilustración 48. Eficiencia de remoción a 2 y 3 horas. pH 5.5, Porcentaje de TiO 2 en la solución de impregnación 5%, Concentración de As inicial (Co): 160 µ gL-1 . Radiación promedio UV-A 3.76.61 mW/cm2. .................................................................................................................................. 105 Ilustración 49.Eficiencia de remoción a 2 y 3 horas. pH 6.8, Porcentaje de TiO2 en la solución de impregnación 5%, Concentración de As inicial (Co): 160 µ gL-1. Radiación promedio UV-A 3.76.61 mW/cm2. .................................................................................................................................. 105 Ilustración 50.Eficiencia de remoción a 2 y 3 horas. pH 8., Porcentaje de TiO2 en la solución de impregnación 5%, Concentración de As inicial (Co): 160 µ gL-1. Radiación promedio UV-A 3.76.61 mW/cm2. .................................................................................................................................. 106 Ilustración 51. Influencia del pH. Concentración de TiO2 en la solución de impregnación 5%, 3 horas de exposición con radiación solar. Concentración inicial de arsénico (Co):160 µg L-1. Radiación promedio UV-A 3.7- 6.61 mW/cm2. .............................................................................. 108 Ilustración 52. Interacción concentración de arsénico- hierro......................................................... 110 Ilustración 53. Gráfica de superficie de concentración de fierro III contra arsénico III ................. 110 Ilustración 54. Interacción concentración de arsénico contra tiempo de exposición ...................... 111 Ilustración 55.Gráfica de superficie concentración de hierro contra concentración de arsénico. MINITAB 16 ................................................................................................................................... 111 Ilustración 56. Separación de arsénico con luz artificial variando las concentraciones de Fe (III) y pHs .................................................................................................................................................. 114 Ilustración 57. Determinación teórica del flujo requerido............................................................. 117 Ilustración 58. Proceso de flujo continúo ........................................................................................ 119. Índice de tablas Tabla 1. Límites máximos permisibles para arsénico en México ...................................................... 6 Introducción. Página vii.

(9) Tabla 2. Límites máximos permisibles de arsénico en varios países y organizaciones. ..................... 7 Tabla 3. Concentraciones promedio de As en el mundo. .................................................................... 9 Tabla 4. Concentraciones promedio de As en México. ..................................................................... 12 Tabla 5. Tipo de agua por zona geográfica. ..................................................................................... 14 Tabla. 6.. Límites. máximos. permisibles. calidad. bacteriológica. del. agua……………………………………………………………………………………….. 20 Tabla 7. Procesos de remoción de arsénico. .................................................................................... 25 Tabla 8. Costos técnicas de remoción para arsénico. ........................................................................ 26 Tabla 9. Costos de construcción, operación y mantenimiento de las alternativas............................. 27 Tabla 10. Tipos de radiación ultravioleta. ......................................................................................... 30 Tabla 11. Temperaturas para desinfección de distintos microorganismos. ....................................... 31 Tabla 12.Potenciales de oxidación para diversas especies. .............................................................. 32 Tabla 13. Formación de capas de impregnación con distintos ácidos orgánicos y minerales. .......... 46 Tabla 14. Valores utilizados en el tratamiento 1. .............................................................................. 69 Tabla 15. Valores utilizados en el tratamiento 2. .............................................................................. 69 Tabla 16. Valores utilizados en el tratamiento 3. .............................................................................. 70 Tabla 17. Valores utilizados para la etapa 2. Flujo continuo. ........................................................... 70 Tabla 18. Propiedades físicas del dióxido de titanio en la solución con agua de la llave y agua destilada............................................................................................................................................. 79 Tabla 19. Caracterización del agua de llave utilizada como base para preparar las soluciones sintéticas. ........................................................................................................................................... 79 Tabla 20. Pruebas impregnación botellas con acetato de sodio. ....................................................... 88 Tabla 21. Factores críticos del proceso así como ámbito de experimentación.................................. 91 Tabla 22. Medición de intensidad de radiación al interior de las botellas ........................................ 93 Tabla 23. Radiación ultravioleta absorbida por la película de impregnación de acetato. ................. 94 Tabla 24. Radiación ultravioleta absorbida por la película impregnada de ácido cítrico. ................. 94 Tabla 25.Radiación ultravioleta absorbida por la película impregnada de ácido perclórico 2 %. .... 96 Tabla 26. Radiación ultravioleta absorbida por la película impregnada de ácido perclórico 2 %. ... 96 Tabla 27. Absorción de las diferentes películas impregnadas......................................................... 97 Tabla 28. Corridas experimentales de diseño de experimentos. MINITAB 16. ............................. 109 Tabla 29. Condiciones de experimentación y resultado de eficiencias de remoción de arsénico y desinfección utilizando radiación solar. ......................................................................................... 113 Tabla 30. Separación de arsénico con radiación ultravioleta artificial. ........................................... 114 Tabla 31. Variables utilizadas para el cálculo del flujo .................................................................. 116 Introducción. Página viii.

(10) Tabla 32. Cálculo flujos para sistema continuo. ............................................................................. 116 Tabla 33. Rango de valores utilizados para el sistema en flujo continuo........................................ 118 Tabla 34. Rango de valores utilizados para el sistema en flujo continuo con datos MINITAB 16. 118 Tabla 35. Caracterización del agua tratada por fotocatálisis heterogénea....................................... 119 Tabla 36. Eficiencias de separación de arsénico y concentraciones de titanio en el agua tratada... 120 Tabla 37. Eficiencia de separación de arsénico para días nublados y soleados así como la efectividad de filtración................................................................................................................... 122 Tabla 38. Distribución de arsénico en el mundo. ............................................................................ 134 Tabla 39. Regiones de Latinoamérica con problemas debido a la presencia de arsénico. ............. 135 Tabla 40. Métodos de remoción de arsénico ................................................................................... 140 Tabla 41. Tabla de NMP para dispositivo Quanti-Tray de 51 celdas. ............................................ 146 Tabla 42. Revisión bibliográfica para remoción de arsénico .......................................................... 147 Tabla 43. Revisión bibliográfica para desinfección del agua .......................................................... 149. Introducción. Página ix.

(11) Resumen En la presente investigación se analizó la factibilidad de escalar el procedimiento de fotocatálisis heterogénea de nivel botella (PET) a tuberia de plástico con el objetivo de desinfectar y remover arsénico al mismo tiempo, bajo la acción de luz solar en presencia de fierro. Para esto se utilizaron botellas de PET y tubería de plástico impregnadas con dióxido de titanio (TiO2) Aeroxide P25 donde se estudiaron la variación de los parámetros: pH, tiempo de exposición, concentración de Fe (III) y As (III). El fotocatalizador (TiO2) fue caracterizado para conocer su área superficial, composición inorgánica y tamaño de partícula con diversas técnicas como microscopio electrónico de barrido (SEM), microscopio electrónico de transmisión (TEM) así como difracción de rayos X. A su vez se hizo una caracterización de la fuente de agua utilizada. Posteriormente se optimizó el procedimiento de impregnación con tres agentes de unión ácido perclórico, acido cítrico y acetato de sodio, donde el mejor método de impregnación fue el del ácido perclórico. Para conocer la efectividad de separación arsénico y desinfección del agua se hicieron pruebas a nivel botella con radiación solar y luz artificial (lámparas de luz ultravioleta) para una vez establecidos los parámetros óptimos escalarlo a flujo continuo. Los resultados muestran que el TiO2 Aeroxide P25 está compuesto en su mayoría por la fase fotocatalítica anatasa (80%) la cual es la fase más activa fotocatalíticamente. La caracterización de la fuente de agua mostró una concentración de arsénico y flúor por arriba de normatividad mexicana e internacional, así como la ausencia de fierro a concentraciones mayores de 0.2 mg/L lo cual indicó la necesidad de agregar dicho compuesto como cloruro férrico. En cuanto a la separación de arsénico y desinfección se demostró que las condiciones óptimas fueron: concentración de la solución de impregnación de TiO2 5%, [Fe (III)]: 15.5 mg/L, [As. Resumen. Página 1.

(12) (III)]: 160 µg/L, tiempo de exposición, t: 140 minutos. Logrando remociones por debajo de normatividad mexicana e internacional (OMS) con un 98 % de eficiencia para remoción de As y >99% en desinfección. Con el trabajo realizado se demuestra que el procedimiento de fotocatálisis heterogénea en presencia de sales de hierro es un buen método para oxidar y remover arsénico del agua así como la desinfección de la misma.. Introducción. Página 2.

(13) Capitulo 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Problemática general. El agua es un recurso escaso e indispensable para los seres vivos siendo ésta un recurso determinante en la calidad de vida y el desarrollo económico y social de las comunidades (WHO, 2008) .El acceso a agua potable de buena calidad y a la sanitización es considerado por parte de la asamblea general de las Naciones Unidas como un derecho humano establecido para el año 2010 (WHO/UNICEF 2011), es por ello, que se tiene el reto de lograr abastecer la necesidad de la gente al acceso a fuentes de agua potable de buena calidad (Bundschuh, et al., 2008). De acuerdo a Organización Mundial de la Salud (OMS), para el año 2005, 2.4 millones de personas no tenían acceso a ningún tipo de instalación de saneamiento y 1.1 millones de personas se encontraban sin acceso a una fuente de agua adecuada, pronosticando que para el año 2015 habrá en el planeta 2700 millones de personas sin acceso al saneamiento básico (WHO 2011). Informes de la OMS (2012) indican que el 11% de la población mundial (783 millones de personas) no tiene acceso aún al agua potable, y miles de millones no reciben todavía servicios de saneamiento (WHO & UNICEF, 2012). Esta falta de saneamiento trae consigo enfermedades infecciosas como la hepatitis, diarrea o la fiebre tifoidea causadas por la presencia de bacterias generalmente provenientes de materia fecal humano o animal (Litter, 2006). Lo más grave radica en que de acuerdo a las estadísticas de la Organización Mundial de la Salud más de 3.000 niños mueren todos los días a causa de las enfermedades diarreicas(WHO & UNICEF, 2012).. Introducción. Página 1.

(14) Aunado a los problemas que trae consigo una fuente de agua contaminada, existen otros contaminantes cuya presencia representa un problema a la salud pública. El arsénico es uno de dichos contaminantes cuya presencia en las fuentes de agua potable representa una grave problemática a nivel mundial. El hidroarsenicismo crónico regional endémico (HACRE) es una enfermedad ocasionada por el consumo de agua con altas concentraciones de arsénico. Se calcula que en América latina la cantidad de gente expuesta a arsénico supera los 4 millones de personas, generalmente en zonas de bajos ingresos siendo México uno de los países que presenta dicho problema, donde los niveles de arsénico superan el límite de 10 µg/L que establece la Organización Mundial de la Salud en zonas como la región Meoqui-Delicias en el Estado de Chihuahua, la Comarca Lagunera (Durango y Coahuila) en el estado de Sonora entre muchos otros (Bundschuh, et al., 2008; Bundschuh, et al., 2011). Ello indica la importancia de desarrollar y mejorar técnicas de bajos costos que resulten prácticos y económicamente factibles de ser aplicados en las zonas expuestas a los daños que trae consigo una fuente de agua contaminada. Las poblaciones más afectadas son aquellas que se encuentran en los países en vías de desarrollo, bajo condiciones de extremas de pobreza, comúnmente los habitantes de zonas rurales (WHO, 2011 ; Jochen Bundschuh et al., 2010). A nivel mundial en las zonas rurales de los países con menor desarrollo, 97 de cada 100 personas no tienen agua entubada y el 14% de la población bebe agua de superficie (WHO & UNICEF, 2012). Dentro de las alternativas de separación de arsénico los procesos de oxidación química avanzada pueden ser una alternativa de tratamiento. La fotocatálisis heterogénea utiliza un agente catalítico (semiconductor de banda ancha) el cual bajo la acción de la radiación ultravioleta permite inactivar las bacterias y transformar y separar los metales tóxicos como el arsénico (Litter,. Introducción. Página 2.

(15) 2006). Este proceso presenta la ventaja del uso de luz solar la cual es una fuente abundante en muchas regiones y son la base de técnicas económicas de desinfección y. remoción de. contaminantes como el arsénico (Litter, 2006; Fostier, et al., 2008; Malato, et al., 2009).. 1.2. Problemática del Arsénico. 1.2.1. Orígenes del Arsénico. El arsénico (As) es un metaloide abundante en la corteza terrestre formando cerca de un 5 x10 -4 % de la misma (Bundschuh et al., 2010) .Dicho elemento ocupa el 20. avo. lugar en abundancia. en la corteza terrestre (Duker et al., 2004). El As puede provenir de fuentes naturales como la actividad volcánica o la meteorización de rocas parentales, y de fuentes antropogénicas como la minería, la industria fundidora o incluso el uso de pesticidas que contengan arsénico. En aguas subterráneas la contaminación con arsénico es, generalmente, mayor que en aguas superficiales debido a la presencia de rocas volcánicas o minerales con este elemento. 1.2.2. Especiación del arsénico El arsénico existe principalmente en tres valencias (-3,+3,-5), el arsénico trivalente As (III) y el pentavalente As (V) son las formas más comunes que se encuentran en el agua, siendo solubles en un rango amplio de pH (Duker et al., 2004). El arsénico presente en aguas naturales se encuentra generalmente en formas oxidadas muy tóxicas, dicha toxicidad depende de la especie química, como el As (III) y As (V) siendo el primero 60 veces más tóxico que el segundo (Jochen Bundschuh et al., 2010). El arsenato se encuentra frecuentemente en aguas superficiales, en condiciones aeróbicas, mientras que el arsenito ocurre con más frecuencia en aguas sub- superficiales o de pozo, o sea, en condiciones anaeróbicas (ambiental 1999). Introducción. Página 3.

(16) La ilustración 1 muestra un diagrama de especiación del arsénico donde se muestra la relación del pH contra el potencial redox Eh (V) (Mudhoo, et al., 2011).. Ilustración 1. Diagrama Eh Vs pH para arsénico. 25°C y 1 atm con arsénico total de 10. -5. -3. M y sulfuro total a 10 M.. ¿Porque es importante oxidar el As (III) a As (V)? La eficiencia de los procesos de tratamiento del As, como intercambio iónico, electrodiálisis y ósmosis inversa, depende del grado de disociación del As. La constante de disociación para el As (V) es mayor en comparación con la del As (III), lo que justifica la oxidación del arsénico antes de su tratamiento. Permitiendo de esta manera la combinación más fácil del arsénico con otros compuestos (ambiental 1999). 1.2.3.. Vías de exposición a arsénico. El principal medio de exposición humana a este elemento es por ingestión de agua contaminada con arsénico. La absorción por la piel es mínima (EPA, 2003). También puede existir un riesgo. Introducción. Página 4.

(17) al vivir en zonas donde los niveles naturales en rocas de As sean altos o si se trabaja directamente con arsénico por ejemplo tratando madera o aplicando plaguicidas (ATSDR, 2007). 1.2.4.. Problemas ocasionados por exposición al arsénico. El arsénico es tóxico debido a que puede interactuar con los grupos sulfhidrilo de las proteínas y enzimas, desnaturalizando las mismas; así como un aumento en las especies de oxigeno reactivo en las células causando un daño celular; también puede inhibir hasta un total de 200 enzimas, entre otras características (Duker, et al., 2004). El hidroarsenicismo crónico regional endémico (HACRE) es una enfermedad ocasionada por el consumo de agua con alto contenido de arsénico. Esta enfermedad crónica ocasiona alteraciones dermatológicas (melanodermia, leucodermia y/o queratosis palmoplantar) lo que puede desencadenar en patologías más graves como distintos tipos de cáncer (Bundschuh, et al., 2008). Cuando se produce un envenenamiento agudo existen síntomas como vómitos, dolor esofágico y abdominal y diarrea con sangre (Romero, 2011).. Ilustración 2. Efectos de arsénico en la piel. Fuente: (Velez 2007). . Cáncer. La USEPA ha clasificado al arsénico como un carcinógeno de clase A. La exposición crónica a bajos niveles de arsénico, menos de 0.05 ppm, ha sido vinculada con cáncer de piel, riñón y vejiga,. así como otros problemas de sistema cardiovascular, enfermedades de la piel y. Introducción. Página 5.

(18) neurológicas (EPA,. 2003). Algunos estudios realizados en países como Taiwán, Japón,. Inglaterra, Hungría, México, Chile y Argentina por el Centro Nacional de Investigación de los Estados Unidos (NRC) demostraron una relación directa entre el cáncer de piel en dichas poblaciones contra los niveles de arsénico en el agua potable (Romero, 2011).. Ilustración 3. Cáncer de piel en la palma de un paciente que ingirió agua contaminada con arsénico de un pozo por un largo periodo Fuente: (arsénico 2010). . Otros efectos no cancerígenos. Dentro de estos efectos se pueden mencionar la pigmentación de la piel, dolor estomacal, nauseas, vómito, diarrea, parálisis parcial y ceguera (agency 2010). 1.3 Normatividad para arsénico En la normatividad mexicana hay dos normas que indican los límites máximos permisibles de arsénico tanto para agua potable como para agua embotellada. Estas dos normas son: NOM-127SSA1-1994 y la NOM-201-SSA1-2002 (Tabla 1). Tabla 1. Límites máximos permisibles para arsénico en México. Introducción. Norma NOM-127-SSA1-1994. Arsénico (mg/L) 0.025( año 2005). NOM-201-SSA1-2002. 0.030 (año 2004). Página 6.

(19) Es importante conocer los límites establecidos en diferentes países para poder observar las diferencias y conocer si el límite establecido en México se encuentra cercano a los demás o si se requiere hacer un análisis para determinar porque es diferente. Por lo que a continuación se enlistan los límites máximos permisibles de arsénico en agua potable de distintos países. Tabla 2. Límites máximos permisibles de arsénico en varios países y organizaciones.. País México. NOM-127-SSA1-1994 Unión Europea (2003) Agencia de protección ambiental (EPA) Organización mundial de la salud (WHO) Canadá. Límite Arsénico (mg/L) 0.025 0.01 0.01 0.01 0.01. India. 0.05. China. 0.01. Bangladesh. 0.05. Laos (1999). 0.01. Taiwan (2000). 0.01. Jordan (1991). 0.01. Argentina. 0.05. Sudáfrica. 0.01. Japón (1993) Australia (1996). 0.01 0.007. Como se puede observar el límite máximo permisible en México para arsénico se encuentra por encima de los límites de los demás países enlistados a excepción de Bangladesh y Argentina. Australia es el país con el límite más bajo establecido.. Introducción. Página 7.

(20) 1.4. Distribución de arsénico 1.4.1. Distribución de arsénico en América Latina. En América latina la cantidad de gente expuesta a arsénico supera los 4 millones de personas, generalmente en zonas de bajos ingresos. Entre estos países tenemos con mayor incidencia: Argentina, Chile, El Salvador, México, Nicaragua y Perú. En Brasil aunque las concentraciones son menores no significa que no se tenga que tener cuidado con ello especialmente en zonas donde se desarrolla la actividad de la minería (Bundschuh, et al., 2008). Cerca de 4 millones de personas en países de América del Sur como Argentina, Chile y Perú están expuestos a altas concentraciones de arsénico mayores a 50 μg/L en agua (Bundschuh, et al., 2008). En la ilustración 4 se muestra un mapa donde se señalan los principales acuíferos y aguas subterráneas de Latinoamérica con problemas debido la presencia de arsénico.. Introducción. Página 8.

(21) Ilustración 4.Latinoamérica. Distribución de acuíferos y aguas superficiales con problemas de As (Jochen Bundschuh, 2010). La tabla 3 indica cuales son algunos de los países expuestos a arsénico, sus concentraciones así como un estimado de la gente expuesta. Para mayor detalle consultar apéndice 1 donde también se describen las principales metodologías aplicadas en cada país. Tabla 3. Concentraciones promedio de As en el mundo.. País Concentración µg/L As Argentina 100–1000 Bolivia Hasta 4800 Brasil Hasta 300 Chile 100-1000 Nicaragua Hasta 1.320. Población expuesta 2 millones 25 000 No conocido 500 000 55,700. Bibliografía (Bundschuh, et al., 2008) (Litter, 2010) (Wang, et al., 2003). .. Introducción. Página 9.

(22) 1.4.2. Presencia de arsénico en el mundo. En el mundo existen algunos países con problemas de arsénico entre. los que destacan. Bangladesh con 50 000 000 habitantes en peligro con concentraciones de hasta 4700 µg/L así como la India con cerca de 1 000 000 habitantes en peligro con concentraciones en el ámbito de 10 a 3900 µg/L (Ver apéndice I). En Nueva Zelanda se tienen concentraciones también muy altas cercanas a los 8500 µg/L. La ilustración 5 muestra las zonas más afectadas por la presencia de arsénico a nivel mundial.. Ilustración 5. Áreas documentadas del mundo con problemas de arsénico en aguas por contaminación natural de acuíferos mayores y por problemas relacionados a la minería y fuentes geotermales. Fuente: (Smedley & Kinniburgh, 2001). Existen otras regiones con problemas como son España, Suecia, Burkina Faso, Sudáfrica aunque no se tiene mucha información al respecto ( Mandal, 2002).. Introducción. Página 10.

(23) 1.4.5. Presencia de arsénico en México. En México se ha detectado la presencia de arsénico e n Coahuila, Chihuahua, Durango, Hidalgo, Sonora, San Luis Potosí. El siguiente mapa ( ilustración 6) muestra los estados con problemas debido a la presencia de arsénico en la Republica Mexicana.. Ilustración 6.Zonas contaminadas por arsénico. (1) Comarca Lagunera, (2) Valle del Guadiana, (3) Hermosillo, (4) Meoqui, (5) Zimapán, (6) San Antonio-El Triunfo, (7) Sta. Ma. De la Paz, (8) Morales, (9) Los Azufres, (10) Los Humeros, (11) Altos de Jalisco, (12) Acoculco, (13) Río Verde, (14) Independencia, (15) Salamanca, (16) Acámbaro Fuente: (Bundschuh, et al., 2008).. El cuadro mostrado a continuación (tabla 4) muestra los estados y localidades con problemas por la presencia de arsénico en México.. Introducción. Página 11.

(24) Tabla 4. Concentraciones promedio de As en México. Fuente: (Jimenéz & Gardea-Torresdey, 2011); (Gleason & Vega, 2002). Estado. Población expuesta. Concentración de As mg/l. Aguascalientes. 582 827. Nd*. Jesús María. 54476. Nd*. San Francisco de los conchos. 2991. 0,261. Julimes. 5335. 0,143. Meoqui. 38152. 0,13. Saucillo. 31042. 0,47. Municipio. Aguascalientes. Chihuahua. Coahuila. Matamoros. Durango. Durango. 389612. 0,051. Teocalitche. 21518. 0,0895. Mexticacán. 3603. 0,1019. San Miguel el Alto. 21098. 0,0308. Jalisco. 0,51. *nd= no determinado.. Los estados no presentados en la tabla anterior no cuentan con información acerca de las concentraciones de arsénico ni un estimado de la población expuesta.. Introducción. Página 12.

(25) . Presencia de arsénico en Chihuahua.. El origen de la presencia de arsénico en el estado de Chihuahua no está claramente determinado. Sin embargo, se ha relacionado con el flujo de recarga procedente de depósitos materiales de arsenopirita que se encuentran en las sierras circundantes en el estado, así como el contacto con los sedimentos acumulados en el acuífero a través del tiempo. Para el municipio de Meoqui la presencia de As se puede deber a la solubilidad del arsenato HAsO4. -2. de los depósitos de. arsenopirita. Estos depósitos se deben en parte a la mineralización de rocas ígneas (riolitas, andesitas basálticas de la región), aunado a esto la infiltración del agua a través del los mantos mineralizados provocando una disolución del arsénico al entrar en contacto con sedimentos que lo contienen. Las características de aquellas zonas donde se puede encontrar bajas concentraciones de. arsénico, son similares entre sí dando como resultado aguas de tipo. sulfatado- bicarbonatado sódico-cálcico, esto se refiere a aquellas aguas con un carácter mixtomixto (Espino-Valdéz, et al., 2009). Lo que es resultado de una mezcla de dos tipos de aguas, una proveniente de sierra alta y otra del flujo regional del sur de Delicias. Mientras que las zonas con altos contenidos de arsénico corresponden a aguas de tipo sulfatadas-sódicas, bicarbonatadas o bicarbonatado-sulfatado-sódico.. También se puede ver la influencia del fenómeno de. termalismo, debido a la presencia de manantiales en el municipio de Julimes causando altas concentraciones de arsénico. Los municipios con valores más altos de arsénico en agua a la fecha son Julimes y Meoqui (Espino-Valdéz, et al., 2009). Se tienen dos zonas de explotación de agua subterránea; el Reciente constituido por depósitos aluviales y lacustres y la segunda zona están formados por rocas ígneas principalmente tales como basaltos, andesitas, riolitas, tobas rioliticas, calizas y conglomerados de media y alta permeabilidad (Espino-Valdéz, et al., 2009).. Introducción. Página 13.

(26) Además de las propias características hidrogeoquímicas también se deben tomar en cuenta la sobreexplotación de los acuíferos. Esto causa la disolución de estratos minerales a mayores profundidades, lo que significa que el agua tiene más tiempo retenida permitiendo una mayor movilización de grandes cantidades de iones (Espino-Valdéz, et al., 2009). Tabla 5. Tipo de agua por zona geográfica. Fuente: (Espino-Valdéz, et al., 2009).. Zona Julimes- este de Meoqui Meoqui-Rosales Rosales-Delicias- parte de Meoqui. Tipo de agua Sulfatadas sódicas Bicarbonatado o bicarbonatado-sulfatado sódico Mixto-mixto.sulfatado- bicarbonatado sódico-cálcico. 1.5 Calidad bacteriológica del agua La calidad bacteriológica del agua potable está relacionada con una gran cantidad de enfermedades. infecciosas y parasitarias tales como el cólera, la fiebre tifoidea, disentería,. hepatitis, giardiasis entre otras. La población infantil es la más perjudicada debido a este tipo de padecimientos, la relación entre cobertura de agua potable y tasa de mortalidad por enfermedades diarreicas, en niños menores de 5 años, es inversa. A continuación se hace una revisión de las condiciones mundiales de sanitización e infraestructura de potabilización. En México, de acuerdo al conteo del año 2005, se tienen 187 938 comunidades, de las cuales 187 742 cuentan con menos de 2500 habitantes. Cerca del 10% de la población rural se encuentran dispersas en localidades con menos de 100 habitantes donde es muy costoso dotar de servicios de agua potable y alcantarillado (CONAGUA, 2010). En las zonas rurales de los países menos adelantados, 97 de cada 100 personas no tienen agua entubada y el 14% de la población bebe agua de superficie, como por ejemplo de los ríos, estanques o lagos (ilustración 7). Introducción. Página 14.

(27) A nivel mundial el 63% de la población usa instalaciones mejoradas de saneamiento. Desde el año 1990, 1.8 billones de personas han obtenido el acceso a saneamiento mejorado (por ejemplo uso de tuberías para el transporte de agua potable). Se estima que 2.5 billones de personas aun no cuentan con este tipo de saneamiento; de los cuales cerca de ¾ partes de dicha población viven en zonas rurales como se puede observar en el mapa de la ilustración 7 la cobertura de sanitización para el año 2010 a nivel mundial (CONAGUA, 2008). En las áreas urbanas 8 de cada 10 personas usan saneamiento mejorado, sin embargo la cantidad de gente sin dicho saneamiento en áreas urbanas se ha visto incrementada por el crecimiento demográfico aumentando a 183 millones desde el año 1990.. Ilustración 7. Cobertura de sanitización en áreas rurales para el año 2010. Fuente: (WHO, 2012). 1.5.1 Situación en México. Calidad bacteriológica En el 2011, en México el 89.2% de la población tenía cobertura de agua potable1 hasta el año 2011. La ilustración 8 muestra un mapa donde se presentan la mortalidad por enfermedades Introducción. Página 15.

(28) infecciosas en la población durante los años 1998-2005, se aprecia que para las comunidades donde existe más alto rezago social (en los municipios de Chiapas, Oaxaca, Guerrero, Puebla y Veracruz) las tasas de mortalidad, causada por enfermedades infecciosas intestinales, son las más altas (Consejo Nacional de Evaluación de política de Desarrollo Social, 2005). Cabe destacar que dichos municipios tienes deficiencias en el saneamiento ambiental, abastecimiento de agua potable y servicios públicos (Rodríguez Rojas, et al., 2005).1. Ilustración 8. Mortalidad por enfermedades infecciosas intestinales en la población (1998-2005) Fuente: (Rodríguez Rojas, et al., 2005). 1. Incluye a las personas que tienen agua entubada dentro de la vivienda; fuera de la vivienda, pero dentro del terreno; de la llave pública; o. bien de otra vivienda. Los habitantes con cobertura no necesariamente disponen de agua con calidad para consumo humano.. Introducción. Página 16.

(29) . Sobreexplotación de acuíferos. Las estadísticas del agua en México, reportan que se tienen 105 acuíferos de los cuales 14 se encuentran en el estado de Chihuahua en los municipios de Ascensión, Baja Babícora, Buenaventura, Cuauhtémoc, Casas Grandes, El Sauz, Encinillas, Flores Magón-Villa Ahumada, Chihuahua-Sacramento, Meoqui-Delicias, Jiménez-Camargo, Valle de Juárez, Parral-Valle del Verano, Laguna La Vieja y Los Juncos (CNA 2011) (Heraldo 2012). . Eficiencia de cloración. En Chihuahua para los años 2008-2009 la eficiencia de cloración era de un 75 a 78% (CNA 2011). La eficiencia de desinfección se mide con el cloro libre residual, que es un indicador fundamental, y cuya presencia al momento de hacer la toma de muestra en el domicilio indica la eficiencia de la desinfección. Para el año 2009 en México de acuerdo a datos de COEPRIS el promedio nacional de eficiencia de cloración fue de 91.23%, la ilustración 9. muestra la. eficiencia de cloración por municipio para el año 2009, donde se observa como ciertas zonas del estado de Chihuahua presentan un bajo porcentaje de eficiencia de cloración (0-29%) incluso existen algunas zonas sin monitoreo (CONAGUA, 2010).. Introducción. Página 17.

(30) Ilustración 9. Eficiencia de cloración para el año 2008 a nivel municipal en México. Fuente: (CONAGUA, 2010). . Concentraciones de coliformes en México. De acuerdo a estudios realizados en el estado de Nayarit, en el año 2012, el. agua de pozo. contenía concentraciones de coliformes totales en un rango de 43-180 NMP/100 ml. Para el estado de Durango se hizo un estudio en el año 2002, donde se analizaron pozos al azar en una área de 78.5 km2 haciendo 5 muestreos trimestrales, dando como resultado una contaminación de 35% de los pozos estudiados con concentraciones de coliformes totales de hasta 40 NMP/100 ml (López Pérez, et al., 2002). En otro estudio, en el estado de Chihuahua en el año 2008, al analizar agua de pozo se determinó una concentración de 10 NMP/100ml de coliformes totales y en agua corriente 40 NMP/100 ml, en ciertos alimentos como las manzanas se encontraron concentraciones de hasta 80 NMP/1000 ml de coliformes (Avila-Quezada, et al., 2008). En la ciudad de Ojinaga, en el estado de Chihuahua un análisis agua. de los Pozos de. Abastecimiento Público detectaron concentraciones de hasta 43 NMP/100 (ETM 2002).. Introducción. Página 18.

(31) De acuerdo a estos estudios se puede concluir que en agua de pozo (aguas subterráneas) las concentraciones de coliformes son relativamente bajas, en un rango de 40 a 180 NMP/100ml, debido a las pocas fuentes de contaminación de las mismas.. 1.5.2 Organismos indicadores Bacterias coliformes (coliformes totales). El propósito principal de las pruebas de coliformes es para conocer la calidad bacteriológica del agua. Dentro de este grupo se encuentran un grupo de bacterias Gram-negativas. Algunas de las bacterias incluidas en este grupo son casi concluyentes de origen fecal, mientras que otros miembros también pueden reproducirse en agua adecuada a distintos ambientes. Estas bacterias, que pueden ser determinadas por pruebas sencillas y de bajo costo, son utilizadas principalmente para la evaluación de la calidad general sanitaria del agua finalmente tratada y desinfectada destinada para el agua de consumo. Los métodos más utilizados para su identificación son los tubos múltiples o filtración de membrana utilizando agar Endo LES y la incubación durante 24 horas a 35-37 ° C (WIOA 2008). Actualmente los coliformes son también identificados por la posesión de la enzima ß-D-galactosidasa, que hidroliza sustratos cromogénicos como el ortonitrofenil-ß-D-galactopiranósido (ONPG), que resulta en la liberación del cromógeno y un cambio de color en medios líquidos (IDEXX 2002).. Escherichia coli Esta especie es del grupo de bacterias coliformes. No se puede multiplicar en aguas naturales por lo que su presencia se utiliza como un indicador de contaminación fecal. Se distinguen de los Introducción. Página 19.

(32) otros coliformes termotolerantes en su habilidad de producir una prueba de indol positiva dentro a las 24 horas a 44.5 ° C. Recientemente esta bacteria se identificó por poseer la enzima ßglucuronidasa, la cual hidroliza el sustrato fluorogénico 4-metil-umbeliferil-ß-Dglucuronide (MUG) con la liberación del fluorógeno que se puede observar en medios líquidos bajo luz ultravioleta (OMS 2012). 1.5.3. Normatividad para coliformes totales y fecales. La presencia de bacterias coliformes en el suministro de agua es un indicio de que el suministro de agua puede estar contaminado con aguas negras u otro tipo de desechos en descomposición, mientras que la presencia de E.coli es un indicativo de contaminación fecal del agua. Por lo que estos dos parámetros se utilizan para determinar la calidad bacteriológica del agua. La norma mexicana: NOM-127-SSA1-1994, (NOM 127) establece los siguientes límites permisibles para la presencia de coliformes totales, fecales así como E.Coli.. Tabla 6. Límites máximos permisibles calidad bacteriológica del agua. Fuente: (Gobierno 2000). CARACTERISTICA. LIMITE PERMISIBLE. Organismos coliformes totales. Ausencia o no detectables. E. coli o coliformes fecales u organismos termotolerantes. Ausencia o no detectables. La cantidad de coliformes fecales y totales recomendada por las Guías de la OMS es de 0 UFC (Unidades formadoras de colonias) /100ml.. Introducción. Página 20.

(33) CAPITULO 2. REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 2.1. Métodos de remoción de arsénico. Las técnicas más comunes para la remoción de arsénico incluyen procesos que se pueden utilizar solos o en combinación, tales como la oxidación, co-precipitación y la adsorción con agentes coagulantes, adsorción en superficies, uso de resinas intercambiadoras de iones, tecnologías de membranas (osmosis inversa, nanofiltración), coagulación/filtración, alúmina activada, ablandamiento con cal entre otros. A nivel de comunidad la coagulación con hierro, aluminio e IBS (absorbentes base de hierro) son métodos de bajo costos. Los adsorbentes de base de hierro son un método disponible comercialmente aunque es relativamente caro pero con un alto grado de adsorción. Un método prometedor es la coagulación mejorada debido a su alta eficiencia. Para agua con alto contenido de sales se utilizan los procesos de. osmosis inversa y. electrodiálisis. Mientras que a nivel domestico se utilizan medios de adsorción o coagulación, intercambio iónico, o una combinación de coagulación y adsorción. A nivel laboratorio los métodos de intercambio iónico, alúmina activada y coagulación mejorada así como las tecnologías de membranas (nanofiltración y osmosis inversa) son buenos pero a nivel práctico aún resultan caros. El método de ablandamiento con cal n es rentable si solo se utilizara para remover arsénico, desde el punto de vista económico, por ejemplo sería rentable si se utilizará para tratar la dureza del agua y se aprovechara para remover el As (Feenstra, et al., 2007).. Revisión bibliográfica. Página 21.

(34) El método de coagulación-filtración convencional por gravedad tampoco es rentable para instalar en pequeños sistemas para remoción solamente de As (EPA, 2003). Un método muy eficiente para la remoción de arsénico que se encuentra en desarrollo es la fitoremediación teniendo hasta un 99% de eficiencia reportado para algunas especies de helechos. Otras plantas utilizadas con las cuales se han obtenido eficiencias de hasta 96% son Eleocharis macrostachya o Schoenoplectus americanus (Olmos,et al.,2010). Los procesos de oxidación avanzada como lo es la fotocatálisis heterogénea con la cual se han obtenido eficiencias de 96% ( Litter, 2006) hasta superiores a 99% (Gelover, et al., 2006).A continuación se presenta un resumen de los métodos más utilizados para la remoción de arsénico. . Métodos de oxido-reducción. El proceso de oxidación es un paso necesario para oxidar las especies de As(III) a especies de As (V) que son más fáciles de remover; debido a que el As (III) no está cargado por debajo de pH de 9.2 , como se pueden observar en las graficas de especiación del arsénico para 100 µg/L (ver apartado 1.2.2) . El cloro, permanganato, ozono, y algunos oxidantes de fase sólida son altamente efectivos para este propósito. El dióxido de cloro y mono-cloroamina son ineficaces para la oxidación de As (III). La irradiación ultravioleta sola o conjuntamente con TiO2 pueden ser 2. opciones convenientes para la oxidación de As (III) .Si el agua se enriquece con sulfito, la luz UV muestra indicios de foto-oxidación de As (III) (Feenstra, et al., 2007; IBEROARSEN ,2010). . Procesos de adsorción. Estos procesos involucran el paso de agua través de un lecho de contacto donde el arsénico es removido por una serie de reacciones químicas superficiales. El proceso de adsorción como tal, es un fenómeno donde se utiliza un material adsorbente para capturar el elemento de interés por Revisión bibliográfica. Página 22.

(35) medio de reacciones de superficie. Entre los adsorbentes más comunes tenemos alúmina activada, carbón activado, zeolitas, óxido de titanio y óxidos de hierro (Feenstra, et al., 2007). Alúmina activada La alúmina activada es un material poroso y granular con propiedades de intercambio de iones. Es uno de los más utilizados por su bajo costo y por su capacidad de regeneración., teniendo remoción reportadas de hasta 96% de As (V) (Clido, et al., 2003). La alúmina es trióxido de aluminio que se prepara por la deshidratación de hidróxido de aluminio a altas temperaturas. Generalmente el tamaño de partícula es de 0.3 a 0.6 mm de diámetro aunado a un gran área superficial (EPA, 2003). El orden de selectividad de la alúmina activada es el siguiente: OH>> HPO42- > HAsO42- > F- > SO42- >> HCO3- >Cl- > NO3Como se puede observar este proceso es conveniente para tratar el arseniato (IBEROARSEN 2010).  Procesos de intercambio iónico En este proceso los iones se unen electrostáticamente en una superficie de una fase sólida y estos son intercambiados por iones de carga similar disueltos en agua. Con este procesos solo se remueven las especies negativas de As (V) si se tienen especies de As (III) se requiere una previa oxidación. Para remover arsénico existen resinas fuertemente básicas en forma de cloruro, o también se pueden utilizar resinas iónicas sintéticas de matriz polimérica. Específicamente para el arsénico se tienen los grupos amino cuaternario que son los más utilizados (IBEROARSEN 2010).. Revisión bibliográfica. Página 23.

(36) . Procesos de membranas. Microfiltración, nanofiltración, ultrafiltración, osmosis inversa y electrodiálisis son métodos utilizados para la remoción de As. El uso de la nanofiltración y ultrafiltración depende del tamaño de distribución de partículas del agua. La microfiltración se puede utilizar junto con un proceso de coagulación para mejorar la eficiencia. De manera general la eficiencia es mayor para As (V) que para As (III) (Feenstra, et al., 2007).. . Remoción biológica de arsénico. El arsénico puede ser removido por procesos microbiológicos. Existen dos tipos de interacción entre el metal y los agentes microbianos, estos son: oxidación microbiana de As (III) a As (V) para un posterior proceso de remoción convencional y la acumulación de arsénico en biomasa microbiana. El arsénico puede ser adsorbido por una biomasa o biofilme de algas, bacterias, macrófitas acuáticas, organismos vegetales y biopolímeros. Como ejemplo se tiene la adsorción y posterior precipitación en flóculos biológicos construidos por bacterias de hierro tanto del As (III) como del AS (V) (IBEROARSEN 2010). . Fitorremedación. El uso de plantas para absorber, acumular, metabolizar, volatiliza o estabilizar contaminantes es una de las técnicas en desarrollo más utilizadas. Presentan ciertas ventajas frente a los métodos convencionales, como bajos costos y amplia aplicabilidad, que las colocan como una buena opción para el tratamiento de agua (Delgadillo-López, et al., 2011).. Revisión bibliográfica. Página 24.

(37) En este proceso la adsorción de metales del suelo se realiza a través de las raíces de las plantas, con incorporación de biomasa vegetal.. De esta manera se pueden colectar. por métodos. mecánicos para un posterior transporte a un lugar seguro. Algunas plantas acuáticas tiene la capacidad de acumular arsénico. Entre estas especies tenemos Eleocharis macrostachya, Bacharis salicifolia, Azolla y Spirodella las cuales son las que tienen la mayor eficiencia de absorción de arsénico (Olmos, et al., 2010). . Tecnologías fotoquímicas. Estas técnicas son económicas y presentan la ventaja del uso de luz solar para llevarlas a cabo, tal como el caso del proceso SORAS, fotocatálisis heterogénea entre otras. El proceso SORAS se basa en la irradiación solar del agua, con unas pocas gotas de jugo de limón (ácido cítrico) en botellas de PET incoloras u otro material transparente a la radiación UV-A durante un periodo de tiempo, generalmente horas. Mientras que el proceso de fotocatálisis heterogénea utiliza un semiconductor de banda ancha (comúnmente TiO2) bajo la acción de la luz UV, con la creación de un par-hueco electrón, presenta reacciones químicas de oxido-reducción tendientes a la mineralización de la materia orgánica (Litter, 2006).. Tabla 7. Procesos de remoción de arsénico. Fuente: (Feenstra, et al., 2007). General Adsorción Intercambio iónico. Procesos Adsorción en alúmina activada, carbón activado y óxidos de hierro/manganeso Intercambio aniónicos, proceso de membranas ( nanofiltración, osmosis inversa y electrodiálisis) Coagulación/filtración, filtración directa, coagulación asistida por microfiltración, coagulación avanzada, ablandamiento con cal, ablandamiento Precipitación con cal mejorada En el apéndice II se presenta una tabla que indica a detalle las características principales, ventajas y desventajas de los diferentes métodos para la remoción de arsénico.. Revisión bibliográfica. Página 25.

(38) 2.1.1 Costos métodos de remoción de arsénico. Un estudio realizado por la EPA presenta estimaciones de algunos de los métodos más utilizados para la remoción de arsénico (tabla 8). En dicho análisis se muestran los costos de los procesos y los costos capitales, de operación y mantenimiento así como el costo total para diversos tipos de sistemas de acuerdo al flujo de volumen de agua tratada (EPA, 2000). Tabla 8. Costos técnicas de remoción para arsénico. Fuente: (EPA, Technologies and cost of removal of arsenic from drinking water 2000). Costo capital Proceso. Coagulación/microfiltración. Muy pequeños sistemas (< 0.10 mgd). Flujo de 0.05 mgd. Pequeños sistemas (< 1 mgd). Flujo de 0.15 mgd. Costos de operación y mantenimiento Muy pequeños Sistemas largos sistemas (< 0.10 (> de 1 mgd). mgd). Flujo de 5 mgd Flujo de 0.05 mgd. Pequeños sistemas (< 1 mgd). Flujo de 0.15 mgd. Sistemas largos (> de 1 mgd). Flujo de 5 mgd. 308, 487.13. 608,610.85. 6,221,783. 584.984. 861.45. 82646.47. Ablandamiento con cal mejorada. -. 14,612.44. 567,079. -. 5466.05. 145279.68. Alúmina activada. -. 73,254.90. 2,111,642. -. 38407.1. 963428.2. Intercambio iónico. -. 84,492.08. 1475635.5. -. 22096.353. 160 894.5. Filtración verde. -. 119, 849.006. 2263637.214. -. 16231.05. 295 344.923. Moneda =US dolares. Revisión bibliográfica. Página 26.

(39) El único tratamiento que la EPA visualiza para sistemas muy pequeños es la coagulación/microfiltración. Si comparamos los tratamientos para sistemas pequeños el proceso más rentable, en cuanto a costo de capital, es el proceso de ablandamiento con cal mejorada cuyo costo de operación y mantenimiento no es tan elevado, lo que resulta en un proceso bastante atractivo para utilizar. Sin lugar a dudas los procesos que representan mayor costo son la filtración verde, intercambio iónico y la coagulación/ microfiltración. De acuerdo a un estudio realizado en la ciudad de Celaya, Guanajuato, México se obtuvieron resultados para 4 tipos distintos de procesos de remoción de arsénico obteniéndose los datos de la tabla 9 (Orozco, 2009) . Como se puede observar el método menos costoso por m3 de agua tratada fue el de dilución. Sin embargo esta opción no es realmente una alternativa, ya que la concentración de arsénico se ha visto aumenta conforme pase el tiempo además de utilizar la misma fuente, es decir, el agua para hacer la dilución. El segundo método en cuanto a costos es el método de coagulación- microfiltración es por esto que resulta ser una buena opción. El método más caro es la osmosis inversa como ya se había mencionado antes el costo reside principal en el costo de las membranas así como el costo de mantenimiento. Tabla 9. Costos de construcción, operación y mantenimiento de las alternativas. Fuente (Orozco Estrada 2009) Proceso Coagulación-microfiltración Adsorción Osmosis inversa Dilución. Costo de inversión $ $ $ $. Costo por operación y mantenimiento anual. 3,828,000.00 5,686,200.00 7 ,200,000.00 2,331,919.24. $ 1,158,227.95 $ 2,400,740.571 $ 4,605,257.143 $ 9 12,230.57. Costo por m3 de agua tratada $ $ $ $. 2.16 4.63 7.14 1.72. .Es importante recalcar que no se tiene prácticamente información acerca de costos para las tecnologías emergentes, debido a que muchas de ellas actualmente se encuentran en desarrollo a nivel laboratorio o plantas piloto.. Revisión bibliográfica. Página 27.