Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
2021
Evaluación del poder adsorbente del hydrochar obtenido por Evaluación del poder adsorbente del hydrochar obtenido por
calentamiento hidrotermal de residuos de la cobertura externa de calentamiento hidrotermal de residuos de la cobertura externa de Sacha inchi en la remoción de cromo en aguas potenciadas
Sacha inchi en la remoción de cromo en aguas potenciadas
Juan Pablo Cuadrado Peña Universidad de La Salle, Bogotá Laura Daniela Joya Moncada Universidad de La Salle, Bogotá
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Evaluación del poder adsorbente del hydrochar obtenido por calentamiento hidrotermal de residuos de
la cobertura externa de Sacha inchi en la remoción de cromo en aguas potenciadas
Laura Daniela Joya Moncada Juan Pablo Cuadrado Peña
Universidad de la Salle Facultad de Ingeniería
Programa de Ingeniería Ambiental y Sanitaria Bogotá, Colombia
2021
calentamiento hidrotermal de residuos de la cobertura externa de Sacha inchi en la remoción de cromo en aguas
potenciadas
Laura Daniela Joya Moncada Juan Pablo Cuadrado Peña
Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título de: Ingeniero Ambiental y Sanitario
Director: Jairo Vanegas Gordillo
Jurado: Carlos Andrés Peña Guzmán
Universidad de la Salle Facultad de Ingeniería
Programa de Ingeniería Ambiental y Sanitaria Bogotá, Colombia
2021
Dedicatoria
A mis padres Carlos y Yaqueline, las personas que más han influenciado mi vida, dándome los mejores consejos y guiándome con todo su afecto y amor en los momentos más oscuros de todo este proceso. Es por ustedes que he logrado todas mis metas y logros, esto es suyo también.
A mis hermanos Nicolás, Cindy y Raúl por siempre brindarme su confianza, sus consejos y su incansable compañía, ustedes al igual que mis padres son lo más importante de mi vida. A mis abuelos por su amor y cariño.
A mis amigos y compañeros por su incondicionalidad, amistad y compañía durante toda mi carrera. En especial a mi amiga y compañera Tatiana por su apoyo y colaboración a lo largo de todo el proyecto, lo logramos.
Laura Daniela Joya Moncada
Dedico esta tesis a mi familia que siempre estuvo, a mis compañeros que a lo largo de estos años me acompañaron, a mi compañera Daniela por ayudarme y por su paciencia. A todos ellos se los agradezco.
Juan Pablo Cuadrado Peña
Agradecimientos
Agradecemos profundamente a Dios por darnos la oportunidad de haber culminado este proyecto, a pesar de todos los percances presentados y por habernos guiado bajo su incesante amor.
Al profesor Jairo Vanegas por su conocimiento, acompañamiento y dedicación durante todo el proyecto, haciendo posible su desarrollo.
A todos los docentes que fueron parte de nuestra formación profesional, por su enseñanza y dedicación. Especialmente al profesor Oscar Gerena por su apoyo a lo largo del proyecto.
A los técnicos del laboratorio CTAS, María Camila, Óscar, Tatiana, Paola, Lina y Diego por su paciencia, cooperación y apoyo en la parte experimental del proyecto.
Gracias a nuestros padres, amigos y compañeros por su cariño, amistad, compresión y acompañamiento a lo largo de toda nuestra carrera profesional
Nuestro trabajo de investigación evaluó la capacidad de adsorción de cromo hexavalente en agua potenciada, empleando como adsorbente, el material tratado bajo calentamiento hidrotermal, a partir del residuo de la cobertura externa de Sacha inchi. La materia prima fue obtenida del Instituto Técnico Agrícola Valsálice, ubicado en el municipio de Fusagasugá, Cundinamarca; el material no fue sometido a secado, antes del proceso de calentamiento hidrotermal o a ningún tipo de pre tratamiento, ya que no requiere de eliminación de humedad a diferencia del tratamiento de los residuos por pirolisis. Por lo tanto se procedió a producir el hydrochar a razón del diseño experimental, evaluando la variable de tiempo de residencia durante el calentamiento a 180oC en la autoclave, un equipo con cierre hermético que permite trabajar a alta presión para realizar el calentamiento con vapor de agua. En el equipo, se realizaron cuatro experimentos a tiempos diferentes para determinar el producto con mejores parámetros de área superficial, carbono fijo y porosidad, y ser utilizado en los ensayos de adsorción, seguido de esto se realizó el proceso de secado en la estufa de aire forzado a 105oC y el triturado del material obtenido, para finalmente tamizarlo a 150 mm de diámetro. Los cuatro productos obtenidos del diseño experimental fueron caracterizados, determinando, el área superficial, porcentaje de carbono fijo y porcentaje de porosidad, además del rendimiento;
seleccionando el hydrochar con mejores propiedades para funcionar como material adsorbente en el filtro lento diseñado.
El producto hydrochar con mejores características y sobre todo con mejor área superficial y rendimiento, fue el obtenido por calentamiento hidrotermal durante 4 horas, el cual obtuvo un área y un rendimiento de 83,685 m2/g y 47,30890 %, respectivamente. El análisis de adsorción se realizó por medio de un filtro lento con 2 m3/día de caudal, 1 m de altura y un área de 0,0278 m2, por el cual se hizo el paso del agua potenciada con Cr (VI) a 400 ppm, durante 20 minutos, tomando un total de diez muestras con una diferencia de 2 minutos entre ellas. Conforme a la filtración, se obtuvo una eficiencia de remoción superior al 80% siendo la más alta de 86,977% en el tiempo final de filtración, es decir, a los 20 minutos de ensayo. Se pudo identificar además, que a medida que transcurría el
(VI).
Finalmente, se evaluó el comportamiento de adsorción del adsorbente en la que construyeron de las isotermas de Langmuir y Freundlich, comparando entre ellas el mejor ajuste que permitiera identificar el fenómeno de adsorción del hydrochar, obteniendo una correlación de R2= 0,8322 para la isoterma de Langmuir, mientras que para la isoterma de Freundlich se obtuvo una correlación de R2= 0,7436. Teniendo en cuenta lo anterior y la clasificación más próxima respecto a los tipos de isotermas, se afirma que el mejor ajuste lo tiene la isoterma de Langmuir y además, es de tipo II, indicativo de una adsorción física para un material adsorbente sólido meso o macroporoso, que representa una adsorción en monocapa – multicapa.
Palabras clave:
Sacha Inchi, adsorbente, calentamiento hidrotermal, hydrochar, cromo.
Abstract
Our work evaluated the adsorption capacity of hexavalent chromium in empowered water, using as adsorbent, the material treated under hydrothermal heating, from the residue of the external covering of Sacha inchi. The raw material was obtaining from the Valsálice Agricultural Technical Institute, located in the municipality of Fusagasugá, Cundinamarca.
This was not drying, before the hydrothermal heating process or to any type of pre- treatment, since it does not require moisture removal unlike the treatment of waste by pyrolysis. Therefore, the hydrochar was produce based on the experimental design, evaluating the residence time variable during heating at 180oC in the autoclave.
Hermetically sealed equipment that allows working at high pressure to perform the heating with steam. In the equipment, four experiments were carrying out with different time to determine the product with the best characteristics and to be use in the tests of adsorption.
Followed by this, the drying process was carry out in a forced air oven at 105oC and to finally be crushed. The four products obtained from the experimental design were characterize, thus determining the surface area, percentage of fixed carbon and percentage of porosity, as well as the percentage of efficiency, selecting the hydrochar with the best properties to function as adsorbent material in the designed slow filter.
The hydrochar product with the best characteristics and above all with the best surface area and performance was obtained with hydrothermal heat for 4 hours, obtaining a area of 83.685 m2/g and 47.30890%, respectively. The adsorption analysis was carrying out by means of a slow filter with a flow rate of 2 m3/day, a height of 1 m and an area of 0.0278 m2. Through which the water enhanced with Cr (VI) was making at 400 ppm, for 20 minutes, taking ten samples with a difference of 2 minutes between them. According to the filtration, an efficiency or removal greater than 80% was obtained, the highest being 86.977% in the final filtration time, that is, after 20 minutes of testing. It was also possible to identify that as the filtration progressed, the concentration decreased until reaching 52.0892 ppm of Cr (VI).
Freundlich isotherms was evaluated, comparing between them the best fit that allows identifying the adsorption phenomenon of hydrochar, obtaining a correlation of R2=0.8322 for the isotherm of Langmuir, while for the Freundlich isotherm a correlation of R2=0.7436 was obtained. Taking into account the above and the closest classification regarding the types of isotherms, it is stated that the best fit is the Langmuir isotherm and, furthermore, it is type II, indicative of a physical adsorption for a solid meso or macroporous adsorbent material, which represents a monolayer-multilayer adsorption.
Keywords:
Sacha Inchi, adsorbent, hydrothermal heating, hydrochar, chromium.
Tabla de contenido
1. INTRODUCCIÓN 177
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 199
3. OBJETIVOS 211
3.1. Objetivo General 211
3.2. Objetivos específicos 211
4. JUSTIFICACIÓN 222
5. MARCO TEÓRICO 233
6. Normatividad aplicable 500
7. METODOLOGÍA 511
8. RESULTADOS 677
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS 900
10. CONCLUSIONES 1011
11. RECOMENDACIONES 1022
12. BIBLIOGRAFÍA 1033
Listado de Tablas
Tabla 1. Ecuaciones de diseño del filtro _____________________________________ 29 Tabla 2. Principales metales pesados y sus fuentes de contaminación ______________ 40 Tabla 3. Principales metales pesados y sus efectos sobre la salud _________________ 42 Tabla 4. Composición proximal de la cobertura de Sacha inchi ___________________ 47 Tabla 5. Diseño experimental de la producción de hydrochar _____________________ 52 Tabla 6. Tamices estándar Tyler ____________________________________________ 53 Tabla 7. Clasificación de los tipos de poros ___________________________________ 59 Tabla 8. Diseño del filtro lento ____________________________________________ 60 Tabla 9. Volumen de solución patrón para preparación de la curva de calibración _____ 62 Tabla 10. Diluciones de ácido acético para la obtención de isotermas de adsorción ____ 65 Tabla 11. Cantidad de residuos por muestra en la producción de hydrochar __________ 67 Tabla 12. Producción de hydrochar a partir del diseño experimental ________________ 68 Tabla 13. Tamizado y peso del hydrochar ____________________________________ 69 Tabla 14. Porcentaje de humedad y material seco del hydrochar __________________ 71 Tabla 15. Porcentaje de material volátil del hydrochar __________________________ 71 Tabla 16. Porcentaje de cenizas del hydrochar _________________________________72 Tabla 17. Porcentaje de carbono fijo ________________________________________ 73 Tabla 18. Área superficial del hydrochar______________________________________ 73 Tabla 19. Densidad aparente del hydrochar ___________________________________ 74
Tabla 21. Porcentaje de porosidad del hydrochar ______________________________ 75 Tabla 22. Porcentaje de rendimiento del hydrochar ____________________________ 76 Tabla 23. Caracterización del hydrochar para su selección ______________________ 76 Tabla 24. Características requeridas para el medio filtrante_ _____________________ 79 Tabla 25. Aforo de caudal ________________________________________________ 80 Tabla 26. Absorbancias de los patrones para la construcción de la curva de calibración de cromo ________________________________________________________________ 81 Tabla 27. Resultados de las absorbancias y concentraciones después de filtración ____ 84 Tabla 28. Porcentaje de remoción de cromo hexavalente ________________________ 86 Tabla 29. Datos para la construcción de la isoterma de Langmuir _________________ 87 Tabla 30. Datos para la construcción de la isoterma de Freundlich ________________ 88
Listado de Gráficas
Gráfica 1. Composición de metales en la cáscara de Sacha inchi _________________ 47 Gráfica 2. Porcentaje del rendimiento en la producción de hydrochar ______________ 69 Gráfica 3. Curva de calibración de cromo hexavalente _________________________ 82 Gráfica 4. Concentración de cromo hexavalente a lo largo de la filtración __________ 85 Gráfica 5. Isoterma de Langmuir __________________________________________ 88 Gráfica 6. Isoterma de Freundlich __________________________________________ 89 Gráfica 7. Comportamiento del rendimiento respecto al tiempo de calentamiento ____ 90 Gráfica 8. Comportamiento del porcentaje de carbono fijo ______________________ 92 Gráfica 9. Comportamiento del porcentaje de poros ___________________________ 93 Gráfica 10. Comportamiento del área superficial _____________________________ 94 Gráfica 11. Eficiencia de remoción de cromo hexavalente ______________________ 97
Listado de Figuras
Figura 1. Perfiles de los tipos de isotermas_________________________________ 37 Figura 2. Calentamiento hidrotermal en autoclave____________________________ 52 Figura 3. Calentamiento en estufa de aire forzado a 105oC _____________________ 55 Figura 4. Calentamiento en mufla a 750oC__________________________________ 56 Figura 5. Equipo Espectrofotómetro Thermo Ultravioleta______________________ 63 Figura 6. Equipo Shaker Thermmo MAXQ 445 0____________________________ 65 Figura 7. Tamizado del hydrochar en los tamices estándar Tyler ________________ 70 Figura 8. Determinación de cenizas_______________________________________ 72 Figura 9. Producto obtenido de hydrochar_________________________________ 77 Figura 10. Filtro piloto________________________________________________ 80 Figura 11. Formación de color de muestras para determinación de absorbancias____ 85 Figura 12. Titulación de las muestras para obtención de isotermas_______________ 86 Figura 13. Formación de color de las muestras para la construcción de la curva de calibración_________________________________________________________ 97 Figura 14. pH del agua potenciada con cromo hexavalente_____________________ 98 Figura 15. Comparación de la isoterma Tipo II con la obtenida experimentalmente___ 100
Los residuos agrícolas son una fuente renovable, abundante y económica para la preparación de materiales adsorbentes entre los que se encuentra el hydrochar. El mal manejo de los residuos genera grandes impactos en el medio ambiente a causa de su disposición final en rellenos sanitarios o en el peor de los casos incinerados, los cultivadores del fruto de Sacha inchi desconocen el valor agregado que se le puede dar a los residuos, aprovechando sus propiedades físicas y químicas para, a partir de diferentes tecnologías de tratamiento producir nuevos materiales, como pirolisis, carbonización hidrotermal, o tratamientos biológicos como compostaje o lombricultura, obteniendo como productos materiales denominados hydrochar, biochar, carbón activado o compost.
En este trabajo se implementó el proceso de calentamiento hidrotermal, el cual no requiere mayor consumo de energía ni inversión económica a diferencia de un proceso de pirolisis. El calentamiento hidrotermal convierte un residuo orgánico en un producto rico en carbono, los residuos se descomponen bajo la influencia de altas temperaturas en presencia de vapor de agua, encontrándose por encima de su punto de ebullición. Este proceso térmico se realiza a temperaturas entre los 180 y 250oC, convirtiéndose en una buena opción para la valorización de diferentes residuos, en especial aquellos con alta concentración de celulosa, hemicelulosa y lignina.
Se hizo uso de la cobertura externa del Sacha inchi, fruto originario de la Amazonía, como material precursor del hydrochar. La cobertura del fruto es desechado como residuo después de que los productores usan únicamente la semilla como materia prima para sus actividades productivas, sin embargo, la cobertura de Sacha inchi contiene nutrientes, óxidos y sales minerales, que por su desconocimiento no son aprovechados. No se han reportado trabajos de investigación sobre los desechos de Sacha inchi como bioadsorbentes para la remediación de aguas residuales contaminadas con metales pesados tóxicos a causa de industrias que usan cromo dentro de sus actividades, como las curtiembres, las empresas textiles y revestimiento de metales.
Este nuevo material bioadsorbente utilizado en la presente investigación presenta viabilidad en el tratamiento de aguas contaminadas debido a que cuenta con una variedad de características que permiten la remoción de sustancias que afectan la calidad del agua, como son la disponibilidad
en abundancia de los residuos precursores para la obtención del medio filtrante, el bajo costo en su obtención, la preparación simple y la capacidad en la eliminación de metales pesados, especialmente cromo en aguas contaminadas.
Por otra parte, la producción de materiales como el hydrochar a partir de residuos agrícolas benefician en primer lugar a los productores de Sacha inchi, permitiéndoles darle un valor agregado a sus residuos o bien, venderlos a terceros que realicen el manejo y aprovechamiento de este material orgánico. En segunda medida, beneficia a las empresas o industrias que requieren del uso de compuestos de cromo en sus procesos, entre los que se encuentran la industria textil, cuero, aleaciones corrosivas resistentes a calor y recubrimiento de galvanizados, ya que en el tratamiento de las aguas residuales generadas por estas industrias con el fin de reducir la concentración de este tipo de contaminantes, pueden implementar materiales adsorbentes eficientes para la remoción de metales pesados.
2. Planteamiento del problema
Los usos del fruto Sacha inchi, especialmente de su semilla se han extendido desde la obtención de aceite hasta la producción de suplementos dietéticos, alimentos funcionales, y productos para la industria cosmética y de cuidado personal; lo cual ha permitido que el fruto sea una opción comercial y además que pueda generar diversas investigaciones para su aplicación en diferentes sectores productivos. Sin embargo, la generación de residuos agrícolas en el cultivo de Sacha inchi se evidencia como un gran problema ambiental debido a que los desechos generados durante sus actividades son incinerados y no se realiza el aprovechamiento ideal a estos residuos, siendo una materia prima óptima para su transformación mediante tecnologías adecuadas que pueden generar bioproductos con valor agregado para reinsertarlos en diferentes sectores productivos.
Por su parte, las actividades productivas e industrias que requieren el uso de compuestos de cromo, han incrementado su uso a lo largo de los últimos años hasta hoy, en consecuencia, el vertimiento de sustancias líquidas contaminantes a cuerpos hídricos aumenta. El cromo es crucial para la obtención y procesamiento de muchos productos, entre los que se encuentran el cuero, los textiles, las aleaciones anticorrosivas resistentes al calor y el recubrimiento para galvanizados; en donde el agua como subproducto de las actividades, debe ser adecuadamente tratada antes de ser vertida para evitar generar desequilibrio de los ecosistemas aledaños, disminución de la calidad de los cuerpos de agua en los que se vierten los desechos con cromo, alteración a la fauna y flora y presencia de enfermedades como cáncer en las personas por el poder teratogénico y cancerígeno del cromo debido a las características acumulativas, tóxicas y de persistencia.
Los cuerpos de agua se convierten incapaces, en cierto punto, de absorber y neutralizar por sí mismos la carga contaminante vertida, generando así la pérdida de las condiciones naturales y su capacidad para sustentar vida acuática adecuada, respondiendo a un equilibrio ecológico. Las aguas vertidas a un cuerpo de agua sin ningún tipo de tratamiento, representan un grave problema de contaminación que afecta la flora, fauna y la salud humana. Es por ello que se considera relevante como tratamiento de estas aguas residuales, la adsorción de contaminantes por medio
del adsorbente conocido como hydrochar obtenido por calentamiento hidrotermal que además se convierte en un factor clave para el desarrollo de áreas rurales, que puedan dotar de un valor añadido a sus residuos, mediante una tecnología sencilla que no requiere una elevada inversión económica ni energética para el aprovechamiento de estos.
3. Objetivos
3.1. Objetivo General
Evaluar el poder adsorbente del hydrochar obtenido por calentamiento hidrotermal de residuos de la cobertura externa de Sacha inchi en la remoción de cromo en aguas potenciadas.
3.2. Objetivos específicos
Determinar las condiciones óptimas de producción del adsorbente obtenido por calentamiento hidrotermal de la cobertura externa de Sacha Inchi.
Establecer el diseño de un filtro, para la adsorción de cromo, en el que sean constantes los parámetros de tiempo de residencia y caudal.
Analizar la capacidad de adsorción de cromo en el agua potenciada posterior al
tratamiento de filtración con hydrochar mediante las isotermas de Freundlich y Langmuir.
4. Justificación
El mal manejo y deficiente aprovechamiento que se le dan a los residuos del cultivo de Sacha inchi, entre los que se encuentra la cobertura externa del mismo, genera un primer problema dentro del cual se desarrollará el proyecto, debido a que no existe una gestión y planificación ambiental de los residuos, los cuales por sus propiedades óptimas, como su contenido de celulosa, hemicelulosa, lignina, carbono y presencia de grupos funcionales, son susceptibles por medio de tecnologías innovadores, como el calentamiento hidrotermal de ser transformados en productos con valor agregado que contribuirían a disminuir la contaminación de cuerpos de agua por presencia de metales pesados como el cromo, un metal pesado que es utilizado en las industrias para el procesamiento y obtención de tinturas, aleaciones, textiles y cueros, aportando a la mitigación y disminución de la contaminación generada por aguas con altas concentraciones de estas sustancias.
Es necesario evaluar el poder adsorbente del hydrochar obtenido por calentamiento hidrotermal de residuos de la cobertura externa de Sacha inchi. Teniendo en cuenta que el proceso de calentamiento se lleva a cabo en medio acuoso, la humedad de la biomasa no resulta un problema como lo podría ser en otros procesos de transformación termoquímica como la pirólisis, suponiendo esto un ahorro energético y económico ya que no es necesario realizar una etapa previa a la carbonización para reducir su humedad estableciéndose una tecnología limpia y amigable con el medio ambiente.
A partir de ello, se propone el estudio, evaluación y producción de un material adsorbente en el cual se aproveche un residuo agrícola, que requiera menos recursos económicos y energéticos y finalmente permita disminuir la contaminación generada por el vertimiento de aguas residuales por parte de las industrias que usan cromo dentro de sus actividades productivas.
5. Marco teórico
5.1. Aguas residuales
Las aguas residuales se definen como todo tipo de agua que haya sido afectada de forma negativa por la acción del ser humano, son todas aquellas aguas que han sido usadas en los entornos domésticos y urbanos, en las industrias, en ganadería y agricultura, y además las aguas naturales que, por accidente o mal uso, se hayan mezclado con las anteriores. Por otra parte, también contienen una gran cantidad de elementos contaminantes, ya sean sólidos o se encuentren disueltos en la misma (Arriols, 2018).
Respecto a los contaminantes presentes en las aguas residuales, se pueden encontrar productos químicos procedentes de uso doméstico (jabones, detergentes, cosméticos), productos sólidos (papel higiénico, toallitas desechables de algodón, plásticos de diversos tamaños), metales pesados y sustancias procedentes de la industria (plomo, zinc, mercurio, cadmio, bromo, cianuro), y también restos orgánicos procedentes, principalmente, de la materia fecal y la orina (Arriols, 2018).
Las aguas residuales dispuestas en una corriente superficial, lagos, ríos o mar sin ningún tratamiento, ocasionan graves inconvenientes de contaminación que afectan la flora y la fauna.
Estas aguas residuales, antes de ser vertidas en los cuerpos receptores, deben recibir un tratamiento adecuado, capaz de modificar sus condiciones físicas, químicas y microbiológicas, para evitar que su disposición cause los problemas ambientales que puedan generar (Rodríguez, 2017). El grado de tratamiento requerido en cada caso para las aguas residuales deberá responder a las características establecidas dispuestas en la normatividad legal vigente en cuanto a la disminución de concentración de los contaminantes presentes en el agua residual.
5.1.1. Clasificación de las aguas residuales según su procedencia
Correspondiente a la clasificación de las aguas residuales de acuerdo a su origen generalmente se establecen tres tipos de aguas, es decir: domésticas o urbanas, industriales y de la agricultura y ganadería. Cada uno de estos tipos es definido a continuación.
Aguas residuales domésticas o urbanas
Este tipo de agua residual es el resultado del uso del agua en las viviendas y núcleos urbanos, donde también se concentran gran cantidad de comercios o lugares de trabajo. Se trata de un agua residual que presenta una alta concentración de contaminantes orgánicos, sólidos sedimentables, bacterias y cantidades importantes de nitrógeno, fósforo y sales minerales (Arriols, 2018).
Aguas residuales industriales
Este tipo de agua residual es el que resulta de los procesos que se llevan a cabo en las actividades industriales. Aquí se incluye el agua que se vierte desde las fábricas, plantas de producción energética o cualquier actividad que esté destinada a la fabricación de productos consumibles o productos manufactureros. Este tipo de agua residual se caracteriza por contener una elevada concentración de contaminantes del tipo de metales pesados, entre los que se encuentran plomo, níquel, cobre, mercurio, o cadmio entre muchos otros (Arriols, 2018).
Las aguas residuales industriales son enormemente variables en cuanto a caudal y composición, difiriendo las características de los vertidos, no sólo de una industria a otra, sino también dentro de un mismo tipo de industria. Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo preciso un estudio específico para cada caso (Cyclus, 2013). Muchos de los compuestos orgánicos e inorgánicos que se han identificado en aguas residuales industriales son objeto de regulación especial debido a su toxicidad o a sus efectos a largo plazo (Cyclus, 2013).
Aguas residuales de la agricultura y ganadería
Este tipo de aguas residuales son menos frecuentes en la agricultura, ya que la mayor parte de ella se utiliza para el regadío, aunque sí que es cierto que, algunos cultivos, así como actividades destinadas al tratamiento de ciertos productos agrícolas, hacen uso de abundante agua y producen aguas residuales. Sin embargo, la inmensa mayoría de las aguas residuales proviene de la ganadería intensiva, estas aguas contienen elevados niveles de contaminantes derivados tanto de ciertos productos químicos que se usan para criar al ganado (Arriols, 2018).
5.1.2. Características físicas, químicas y biológicas
Las aguas residuales se caracterizan principalmente y es posible clasificarlas de acuerdo a su composición física, química y biológica. Relacionar y diferenciar cada uno de los parámetros que componen el agua residual es fundamental para determinar el tipo de tratamiento a realizar y disminuir así su contaminación.
Características físicas
Las características físicas del agua residual son en primer lugar el contenido total de sólidos, en el cual se considera la materia en suspensión, la materia sedimentable, la materia coloidal y la materia disuelta; otras características físicas importantes son el olor, la temperatura, la densidad, el color y la turbiedad (Gómez, 2015).
Características químicas
En las aguas residuales las características químicas se abordan en cuatro apartados, es decir: la materia orgánica, el contenido orgánico, la materia inorgánica y los gases presentes en el agua (Gómez, 2015). En primera medida la materia orgánica está formada generalmente por una combinación de carbono, hidrógeno, oxígeno nitrógeno, otros elementos importantes como el azufre, el fósforo y el hierro; dado esto los grupos principales de la materia orgánica son las proteínas, los carbohidratos, las grasas y aceites, los agentes tensoactivos, los fenoles y los pesticidas. En segundo lugar, el contenido orgánico se compone de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), la demanda química de oxígeno (DQO) y el carbono orgánico (COT). Por otra
parte, los componentes de la materia inorgánica son el pH, los cloruros, la alcalinidad, el nitrógeno, el fósforo, el azufre, los componentes tóxicos y los metales pesados. Finalmente, los gases presentes en el agua residual son oxígeno disuelto, sulfuro de hidrógeno y metano.
Características biológicas
Las características biológicas abarcan los grupos principales de microorganismos que se encuentran en las aguas residuales, además de aquellos que intervienen en el tratamiento biológico y el de los organismos utilizados como indicadores de contaminación. Dado lo anterior, a este grupo pertenecen los microorganismos, las bacterias, los hongos, las algas, los organismos coliformes y patógenos.
5.2. Contaminación hídrica
La Organización Mundial de la Salud (OMS) define el agua contaminada como aquella cuya
"composición haya sido modificada de modo que no reúna las condiciones para el uso que se le hubiera destinado en su estado natural" (Oxfam Intermón, 2017). La presencia de componentes químicos o de otra propiedad en una concentración superior a la natural genera la contaminación del recurso hídrico, refiriéndose a la existencia de microbios, metales pesados o sedimentos. El origen de las sustancias contaminantes es antropogénico (agropecuario, industrial o urbano) y su presencia en altas cantidades altera las propiedades del agua, no permitiendo su depuración a través de su ciclo natural y la hace peligrosa para el consumo humano (Oxfam Intermón, 2017).
En general y con el propósito de disminuir los riesgos que presenta la contaminación del recurso hídrico, se han creado programas de control de la contaminación, principalmente restringiendo las descargas, estableciendo límites para determinados compuestos químicos, y se han identificado algunas sustancias químicas tóxicas en las aguas residuales, para los que se han fijado límites de vertimiento (García & Pérez, 2012).
Debido a cada uno de los riesgos y considerables problemas que presentan las aguas residuales antes de ser vertidas en los cuerpos receptores, deben recibir un tratamiento adecuado según su composición, capaz de modificar sus condiciones físicas, químicas y microbiológicas, hasta evitar que se provoquen los problemas de contaminación del recurso hídrico. De acuerdo a ello,
básicamente hay tres tipos de tratamiento, es decir, tratamiento físico, tratamiento químico y tratamiento biológico:
Tratamiento físico
Esta etapa consiste en una serie de tratamientos físicos que buscan eliminar la contaminación de las aguas; básicamente se trata de eliminar aquellos residuos de mayor tamaño, como grasas, aceites, arenas y sólidos de mayor tamaño. Se utilizan tamices, filtros, desarenador y decantación (Recitrans, 2015).
Tratamiento químico
Esta etapa consiste en una serie de tratamientos químicos que buscan eliminar las sustancias que contaminan el agua y que están disueltas en ella. En estos procesos, se introducen bacterias o sustancias en el agua, que, ayudadas por la oxigenación del agua, se encargan de convertir la materia orgánica disuelta en el agua en flóculos, que son separados del agua mediante sedimentación y decantación. Se utilizan sistemas aireación, lodos activados, lagunas, lechos bacterianos, biodiscos, biocilindros y neutralización y reducción (Recitrans, 2015).
Tratamiento biológico
Esta etapa consiste en la degradación de la materia orgánica contenida en las aguas mediante microorganismo en un ambiente anaeróbico controlado (Recitrans, 2015).
5.3. Disminución de la contaminación por medio de la filtración
La filtración es un proceso en el cual partículas sólidas que se encuentran en el agua se separan mediante un medio filtrante o filtro, que permite el paso del agua a través de este, pero retiene las partículas sólidas en suspensión en ella (AguaDealer, 2015).
La filtración puede efectuarse en muchas formas distintas: con baja carga superficial (filtros lentos) o con alta carga superficial (filtros rápidos), en diferentes medios porosos (arena, antracita, granate o carbón activado) empleando solo un medio (lecho simple) o varios medios (lecho mixto), con flujo ascendente o descendente; por último, el filtro puede trabajar a presión o
por gravedad, según sea la magnitud de la carga hidráulica que exista sobre el lecho filtrante (Pérez, 2002).
5.3.1. Funcionamiento del filtro
Un filtro de agua es un dispositivo que elimina las impurezas del agua al reducir la contaminación mediante una fina barrera física, un proceso químico o un proceso biológico (Periódico de salud, 2016). El filtro está diseñado para eliminar contaminantes específicos. Para estar seguro de que un filtro eliminará un determinado contaminante debe cumplir con la certificación para esa sustancia (Periódico de salud, 2016).
El buen funcionamiento de un filtro depende del perfecto reparto a través del lecho filtrante del agua a filtrar, del agua de lavado y del aire. Tiene, por tanto, una importancia fundamental la forma de recogida de agua filtrada y de reparto de agua de lavado, así como el sistema que se adopte como soporte del lecho filtrante (Barraque et al., 1979).
Un filtro se atasca a medida que su lecho se carga de materias retenidas. Cuando el atascamiento alcanza un valor excesivo o la calidad del filtrado no es aceptable, debe procederse al lavado del lecho filtrante. Es indispensable que, con este lavado, se devuelvan al lecho sus cualidades iniciales, sin las cuales, el filtro iría perdiendo eficacia y el material filtrante debería retirarse para su limpieza completa o para ser reemplazado (Barraque et al., 1979).
Filtración rápida
La filtración rápida, realizada por gravedad, puede ser de flujo ascendente y ser operado con tasa de filtración constante o declinante. Cuando es de flujo descendente la filtración rápida puede realizarse con tasa declinante o constante, en filtros de capa única o de capas múltiples (Willy &
Escobar, 2014). El método de operación depende de la forma como se aplica la carga hidráulica disponible. Por otro lado, la utilización de la carga hidráulica disponible está relacionada con la pérdida de carga en el medio filtrante, mientras que a tasa de filtración está relacionada con la carga hidráulica disponible y la resistencia del filtro (Willy & Escobar, 2014).
En el proceso de filtración rápida, el agua atraviesa el lecho filtrante a velocidades de 4 a 50 m/h.
A estas velocidades apenas se forma biopelícula y los procesos biológicos van a ser escasos y, si
existen, se va a tratar de eliminarlos. Se busca hacer funcionar todo el lecho del filtro (Pérez de la Cruz, 2016).
Filtración lenta
La filtración lenta tiene por objeto el tratamiento de aguas con concentraciones bajas de sólidos en suspensión, sin coagulación, ni decantación previa. En estos filtros el agua fluye muy despacio a través de un lecho de arena fina, quedando retenidas en la superficie del filtro las partículas de mayor tamaño. De esta manera se forma una capa biológica porosa muy delgada, pero con una gran superficie de contacto en sus poros, que favorece la adsorción de impurezas (Pérez de la Cruz, 2016). Debido a la baja velocidad de filtración, la pérdida de carga, en cada etapa, es bastante pequeña y los filtros se lavan, por término medio, una vez al mes (Barraque et al., 1979).
5.3.2. Parámetros de diseño del filtro
Existen varios factores que son responsables del funcionamiento del filtro entre los que se encuentra la velocidad de filtración, el área, el diámetro y la altura del mismo, el tiempo de retención del medio filtrante y las características de las tuberías de entrada y de salida. Por ejemplo, la velocidad de filtración es inversamente proporcional a la eficiencia del filtro, esta velocidad vf en la que pasa el agua por el medio filtrante se mide como tasa de filtración o carga superficial.
A continuación, se presentan las ecuaciones de diseño para un filtro lento.
Tabla 1. Ecuaciones de diseño del filtro.
Parámetro Convención Ecuación
Área del filtro A
Diámetro del filtro D
At
Volumen del filtro V
Tiempo de retención t
Altura del lecho filtrante hm
Fuente: autores.
5.4. Hydrochar
En primer lugar, el producto sólido rico en carbono que se origina a partir de diferentes procesos de conversión termoquímica de la biomasa se lo denota como char, siendo en este caso, el producido mediante el proceso de calentamiento hidrotermal conocido como hydrochar (Alonso, 2017). Mediante la carbonización hidrotérmica, la biomasa introducida en agua, se somete a calentamiento en condiciones moderadas de temperatura entre los 150 a 250°C, y presión, ésta última se autogenera en el proceso, o puede ser controlada mediante la adición de gases. Como resultado, se obtiene una fracción carbonosa llamada hydrochar, que contiene una proporción en carbono mayor a la del material de partida (Domínguez, 2018).
Este hydrochar se puede utilizar para catálisis, adsorción superficial y almacenamiento de energía, entre otros (Alonso, 2017). Sin embargo, actualmente se está investigando al hydrochar como secuestrador de carbono y como sustituto del carbón tradicional en diferentes procesos.
El hydrochar con un grupo funcional oxigenado rico, es un material carbonoso de alto valor agregado derivado de la biomasa por carbonización hidrotermal (HTC), que es un proceso de conversión termoquímica utilizando agua como medio de reacción solvente, a una temperatura de 150 a 250°C o 350°C y presión autógena. Usualmente, la presión de reacción no se controla en el proceso y es autogénica con la presión de vapor de saturación del agua correspondiente a la temperatura de reacción (Zhang & Tsang, 2019).
Al contrario que los carbones activos, los carbones obtenidos por calentamiento hidrotermal, es decir, el hydrochar tratado a 180oC no presenta microporosidad, pero sin embargo presenta un
gran número de grupos oxigenados localizados en la superficie, favoreciendo la adsorción (Ponce, 2012).
5.5. Calentamiento hidrotermal
La carbonización hidrotermal (HTC), es un proceso en el cual la materia orgánica se descompone bajo la influencia de la temperatura en presencia de agua, estando el agua a una temperatura por encima de su punto de ebullición y la presión del sistema siendo autógena (Alonso, 2017). Dicho proceso implica varias reacciones que incluyen hidrólisis, deshidratación, descarboxilación y condensación.
La carbonización hidrotermal o calentamiento hidrotermal de biomasa, trata con agua comprimida caliente la biomasa en lugar de secarla. El proceso HTC ofrece varias ventajas sobre los pretratamientos térmicos en seco convencionales como la pirólisis lenta en términos de mejoras en el rendimiento del proceso y la eficiencia económica, especialmente su capacidad para procesar materia prima húmeda sin necesidad de secado previo (Kambo & Dutta, 2015).
Durante el calentamiento se separan aniones de hidróxido y cationes de hidrógeno de las moléculas orgánicas, que finalmente forman agua, y las moléculas orgánicas deshidratadas se combinan para formar una cantidad de compuestos diferentes de carbono (Alonso, 2017). Como el H2O es una molécula muy estable, cada vez que se quita una molécula de agua del conjunto de estas moléculas orgánicas también se libera energía, esto hace que el proceso HTC sea exotérmico y altamente eficaz (Alonso, 2017). El proceso tiene lugar en presencia de agua en condiciones sub o supercríticas. Esta situación viene determinada por el punto crítico del agua que está establecido en 374oC y 22 MPa. Por debajo de dicha temperatura y hasta los 100°C se habla de condiciones subcríticas y por encima, de condiciones supercríticas (Alonso, 2017).
La carbonización hidrotérmica se clasifica habitualmente respecto a la temperatura. El proceso a alta temperatura se lleva a cabo de 300 a 800°C, a esta temperatura se producen nanotubos de carbono y materiales en base de grafito. En cambio, en el proceso a baja temperatura, es decir, de 180°C a 250 °C, se realizan reacciones de deshidratación y polimerización del material, que dan como resultado, materiales carbonosos funcionalizados (Domínguez, 2018).
Cabe resaltar además que, a diferencia de otros métodos químico térmicos, el proceso del calentamiento hidrotermal no requiere otros pre tratamientos de la biomasa como por ejemplo el tamizado, el control de densidad de la misma u otros tratamientos para mejorar el manipulado del adsorbente obtenido.
5.5.1. Condiciones de operación
Los parámetros a controlar en el proceso de calentamiento hidrotermal son: la temperatura de reacción, el tiempo de reacción y la relación de biomasa a agua. Las condiciones de reacción que se emplean en el proceso de calentamiento hidrotermal no son extremas, en este se manejan temperaturas entre 180 hasta 250oC, tiempos de reacción de varias horas y presiones del sistema, sin necesidad de introducir presión adicional (Alonso, 2017).
Temperatura
La temperatura de reacción tiene una influencia significativa en las propiedades del hydrochar.
La composición química del hydrochar tiende a ser estable al elevar la temperatura (Zhang &
Tsang, 2019). Una temperatura más alta conduce a una deshidratación extensa y a un aumento en el grado de condensación del hydrochar. Después del proceso de calentamiento existe una reducción en el grupo funcional oxigenado y los grupos OH con un aumento de la temperatura para todos los materiales de partida. Si bien la temperatura del tratamiento hidrotérmico se puede ajustar para obtener contenidos de grupos funcionales oxigenados más altos, este contenido al mismo tiempo también depende del tipo de materiales de partida, el tiempo de residencia y las concentraciones de sustrato utilizadas (Zhang & Tsang, 2019).
El incremento de la temperatura también afecta a su viscosidad y densidad, que se ven reducidas en gran medida, lo que aumenta su coeficiente de difusión (Alonso, 2017). Y por su parte, el efecto de la temperatura sobre el tamaño de las microesferas del adsorbente obtenido se ve afectado por el proceso de calentamiento hidrotermal.
Tiempo de retención
El tiempo de retención juega un papel importante en el alcance de la reacción y la distribución de los diferentes tipos de productos y su calidad (Zhang & Tsang, 2019). Los tiempos de retención
más largos pueden conducir a una disminución en el rendimiento del adsorbente, mientras que, a tiempos de retención más cortos, se obtienen productos menos condensados. Por su parte, una alta concentración de biomasa en un tiempo de residencia más alto puede aumentar el contenido del grupo funcional oxigenado debido al mayor grado de reacción y formación de carbón secundario. Por lo tanto, un mayor tiempo de residencia puede producir un alto contenido de grupos funcionales oxigenados incluso a temperaturas relativamente más bajas debido a una exposición más prolongada (Zhang & Tsang, 2019).
5.5.2. Tipos de material que se pueden procesar por calentamiento hidrotermal
Se puede procesar una variedad de materias primas utilizando calentamiento hidrotermal, incluidas las materias primas leñosas y herbáceas, biomasa de algas, biomasa fecal, desechos agrícolas como cáscara de coco, naranja y alperujo, desechos sólidos municipales y desechos de procesamiento de alimentos, lodos digeridos de procesos anaerobios en la digestión de residuos agrícolas y lodos de tratamiento de aguas residuales (Kambo & Dutta, 2015).
5.6. Adsorción
La adsorción es un proceso físico químico el cual incluye los fenómenos de adsorción y absorción de iones y moléculas. El objetivo de este método es la remoción de metales pesados en aguas residuales provenientes de diferentes sectores industriales, usando como solvente, materiales de origen biológico, entre ellos: algas, hongos, cáscara de frutas, productos agrícolas y ciertos tipos de biopolímeros. El proceso de adsorción involucra dos fases, una fase sólida, es decir, la biomasa y una fase líquida, el agua que contiene disuelta la sustancia de interés que será adsorbida, en este caso los iones de metales pesados. Con el fin de que el proceso se realice correctamente debe existir una gran afinidad entre los grupos funcionales de la biomasa y el contaminante, debido a que este debe ser atraído hacia el sólido y enlazado por diferentes mecanismos (Cañizares, 2000).
Respecto a la utilización de materiales biológicos como biosorbentes en el agua, investigaciones recientes realizadas a nivel mundial, revelan la capacidad de adsorción de diferentes biomasas residuales, entre ellas, la cáscara de tamarindo, cáscara de plátano, cáscara de coco, cáscara de
limón, cáscara de naranja, cáscara de maní, hoja de maíz, desechos de tallo de uva, entre otros varios (Balta, 2013).
Dentro de las ventajas de la implementación de la adsorción con materiales de origen biológico se presentan que, estos materiales son de bajo costo y se encuentran en gran abundancia y con facilidad en la naturaleza, sumado a ello, la transformación de estos materiales a biosorbentes es un proceso de bajo costo (Balta, 2013). En comparación con las técnicas convencionales para la remoción de metales pesados, la adsorción tiene alta eficiencia, minimiza la utilización de productos químicos y lodos biológicos, existe la posibilidad de la regeneración de los biosorbentes y posibilidad de recuperación de metales (Ramírez et al., 2013).
5.6.1. Fundamentos fisicoquímicos
La extracción de metales por medio de biomasas residuales se atribuye a sus proteínas, carbohidratos y componentes que contienen grupos carboxilo, hidroxilo, sulfatos, fosfatos y amino, los cuales presentan gran afinidad por los iones metálicos, facilitando su captación (Tejada et al., 2014).
Cabe resaltar que de acuerdo al tipo de atracción que exista entre el soluto y el adsorbente, se distinguen tres clases de adsorción. En primer lugar, la adsorción de tipo eléctrico se da por el intercambio iónico donde los iones de una sustancia se concentran en la superficie del adsorbato resultado de la atracción electrostática Por otro lado, si la molécula adsorbida está libre de trasladarse dentro de la interfase del adsorbato, la adsorción es debido a las fuerzas de Van der Waals o fisisorción. Por último, si el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente, se dice que la adsorción tiene naturaleza química.
De acuerdo a lo anterior, cabe tener en cuenta que el proceso de adsorción puede ser afectado positiva o negativamente, por variables como la temperatura, el pH, el tamaño de partículas o la presencia de otros iones. Estos parámetros pueden aumentar o disminuir la captación de los iones metálicos (Tejada et al., 2014).
Efecto de la temperatura
Un aumento de la temperatura puede causar cambio en la textura del sorbente y deterioro del material que finalmente se ven reflejadas en una pérdida de capacidad de sorción (Tejada et al., 2014).
Efecto del pH
El pH de la solución acuosa es el parámetro que permite el control de los procesos de adsorción de metales en diferentes adsorbentes, debido a que los iones de hidrógeno se constituyen en un adsorbato fuertemente competitivo. El valor de pH de la fase acuosa es el factor más importante en la adsorción de cationes o de aniones; es decir, mientras que la adsorción de cationes suele estar favorecida por valores de pH superiores a 4,5, la adsorción de aniones prefiere un valor bajo de pH, entre 1,5 y 4 (Garcés & Coavas, 2012).
Efecto del tamaño de partícula
La adsorción se da especialmente en el interior de las partículas, sobre las paredes de los poros en puntos específicos. La cantidad de adsorbato que se adsorbe es directamente proporcional al volumen, así mismo este volumen es directamente proporcional al área externa y además una partícula pequeña tiene mayor área superficial, es decir, mayor área de la superficie interna por su cantidad de poros por unidad de masa (Tejada et al., 2014).
Presencia de otros iones
La presencia de iones en la disolución permite que estos puedan competir con el metal de interés en las zonas de sorción (Tejada et al., 2014).
5.6.2. Isotermas de adsorción
Las isotermas son una forma de cuantificar la relación entre la cantidad adsorbido por la superficie del adsorbente y la concentración del líquido (García & Rodríguez, 1999). Con el fin de graficar una isoterma adecuada, se debe dividir la concentración adsorbida entre los gramos de adsorbente empleado (eje Y), y la concentración inicial (eje X).
Isoterma de Langmuir
Langmuir estudió la adsorción de los gases en superficies metálicas, durante su investigación observó que en el proceso se alcanzaba un límite de adsorción, por lo que concluyó que existía la formación de una monocapa que ocupaba los centros activos del adsorbente, además asumió que la superficie era homogénea y también que la energía es igual en toda la superficie (García &
Rodríguez, 1999). La linealización de este modelo, se obtiene con el recíproco de la relación entre la cantidad adsorbida y los gramos de adsorbente y la concentración inicial:
Ecuación 1. Variables a graficar en la linealización de Isoterma de Langmuir.
Isoterma de Freundlich
Por su parte esta isoterma se construye de forma logarítmica y aplica para superficies microporosas, lo cual permite observar si hay distribución exponencial de la energía en el sistema de adsorción y no asume formación de monocapa, como la isoterma anterior (Castellanos, 2014).
La linealización se realiza con la siguiente ecuación:
Ecuación 2. Función de la linealización de la Isoterma de Freundlich.
Donde:
a: cantidad de soluto.
1/n: constante de velocidad de adsorción del adsorbato.
m: constante de capacidad de adsorción y afinidad del adsorbato por el adsorbente.
p: concentración.
Isoterma BET (Brunauer, Emmet y Teller)
Esta isoterma es fundamental para representar procesos de adsorción en multicapa, donde se espera que se presente un crecimiento indefinido en la relación entre la cantidad adsorbida por el adsorbente y la concentración del adsorbato (Castellanos, 2014). La ecuación linealizada es:
Ecuación 3. Función de la gráfica linealizada de BET.
Donde:
a: es la cantidad de soluto adsorbido.
c: es la entalpía, cantidad de energía adsorbida o cedida por un sistema, de desorción de la monocapa.
P: concentración adsorbato después del proceso de adsorción.
Po: concentración inicial del adsorbato.
Cada una de las diferentes gráficas que se presentan en los mecanismos de adsorción, especificados anteriormente, se representan a continuación:
Figura 1. Perfiles de los tipos de isotermas.
Fuente: (Tovar, 2016).
De acuerdo a cada una de las representaciones gráficas, se observa que, la isoterma tipo I, corresponde a la adsorción de sólidos microporosos, es decir, monocapa. La isoterma tipo II, corresponde a la obtenida con sólidos macroporosos o no porosos y representa una adsorción en monocapa y multicapas sin restricciones. Por su lado, la isoterma tipo III, representa la adsorción en multicapas, se representa en materiales macroporosos o no porosos cuando existe poca afinidad entre el adsorbato y el adsorbente (Tovar, 2016). La isoterma tipo IV, hace referencia a las isotermas donde se representa condensación capilar e histéresis, se representa en los materiales adsorbentes mesoporosos. La isoterma tipo V es parecida a la isoterma tipo III, pero presenta histéresis, se obtiene para materiales mesoporosos, cuando existe poca afinidad entre el adsorbato y el adsorbente. Por último, la isoterma VI, representa la adsorción escalonada en multicapa sobre una superficie uniforme no porosa, cada escalón representa una capa adsorbida (Tovar, 2016).
5.7. Contaminantes presentes en el agua
Los contaminantes que pueden estar presentes en el agua residual son variados y en general su origen viene siendo doméstico, industrial, debido a la lluvia, lixiviados o escorrentía. Los posibles contaminantes de las aguas residuales, de acuerdo a su composición y estructura química se clasifican como es descrito a continuación, en los siguientes siete grupos.
Sedimentos y materiales en suspensión
Muchas partículas arrastradas por las aguas, junto con otros materiales que hay en suspensión en estas, son en términos de masa total, la mayor fuente de contaminación, debido a que provocan la turbidez. Los sólidos en suspensión dan lugar al desarrollo de fangos y condiciones anaerobias cuando se vierte el agua residual sin tratar, con este material a los cuerpos de agua.
Materia orgánica
Compuesta principalmente por proteínas, carbohidratos, grasas y aceites. Si este tipo de contaminantes se descargan al ambiente sin ningún tipo de tratamiento, su estabilización biológica ocasiona el agotamiento de oxígeno en el recurso hídrico y desarrollar condiciones sépticas.
Agentes patógenos
Son los diferentes tipos de bacterias, virus, protozoos y otros organismos que transmiten enfermedades (García, 2002). Son organismos que pueden ir en menor o mayor cantidad en las aguas residuales (García, 2002).
Sustancias químicas inorgánicas
En este grupo se incluyen los ácidos, sales, óxidos y bases inorgánicas. Si están en cantidades altas pueden causar graves daños a los seres humanos, disminuir los rendimientos agrícolas y corroer equipos que se usan para trabajar con el agua (García, 2002).
Nutrientes inorgánicos
Nitratos y fosfatos son sustancias solubles en el agua que las plantas necesitan para su desarrollo, pero si se encuentran en cantidad excesiva producen el crecimiento de algas y otros organismos que provocan la eutrofización de las aguas (García, 2002). Su presencia en las aguas residuales se debe principalmente a los detergentes y fertilizantes. El nitrógeno orgánico también es aportado a las aguas a través de las excretas humanas en forma de úrea (García, 2002).
Compuestos orgánicos
Moléculas orgánicas como petróleo, gasolina, plaguicidas, disolventes y detergentes acaban en el agua y pueden permanecer largos periodos de tiempo debido a sus complejas estructuras moleculares difíciles de degradar por microorganismos (García, 2002).
Metales pesados
Los metales pesados son sustancias propias de la naturaleza de peso molecular alto, muy difundidos en la naturaleza. Respecto a la contaminación, los metales pesados tienen efectos en la salud y afectan diferentes órganos (Aguirre, 2017). Entre los metales hay elementos esenciales y no esenciales para los seres vivos, aunque el límite entre los dos grupos no está claramente delimitado y la lista de elementos biológicamente importantes aumenta (Aguirre, 2017).
Normalmente se reconocen como elementos esenciales el hierro (Fe), manganeso (Mn), zinc
(Zn), cobre (Cu), cobalto (Co) y molibdeno (Mo), por su parte, como elementos benéficos al níquel (Ni) y cromo (Cr), y finalmente se considera que no tienen ninguna función biológica elementos como el cadmio (Cd), mercurio (Hg) plomo (Pb) y metaloides como el arsénico (As) que representan alguno de los más peligrosos (Aguirre, 2017).
La contaminación del ambiente con metales tóxicos surge como resultado de actividades humanas, principalmente industriales, sin embargo, fuentes como la agricultura y la eliminación de residuos también contribuyen (Cañizares, 2000). Estos contaminantes son descargados en la atmósfera y en los ambientes acuáticos y terrestres, principalmente como solutos o partículas y pueden alcanzar concentraciones elevadas, especialmente cerca del sitio de descarga (Cañizares, 2000). A continuación, se presenta la clasificación de los principales metales pesados y sus fuentes de contaminación características.
Tabla 2. Principales metales pesados y sus fuentes de contaminación.
Metales
pesados Fuentes de contaminación
Cadmio (Cd) Plantas electrónicas, fundiciones, fabricación de aleaciones, pigmentos, plásticos, pilas y procesos de refinación.
Zinc (Zn) Industrias de galvanizado, fabricación de acero y otras aleaciones, baterías y pigmentos.
Cromo (Cr) Galvanoplastia, fabricación de colorantes y pigmentos, producción de aceros, aleaciones y conservantes de madera.
Níquel (Ni) Fabricación de acero, baterías y producción de aleaciones.
Mercurio (Hg)
Minería, producción de cloro, soda cáustica, policloruro de vinilo y espuma de poliuretano.
Fuente: (Tejada et al., 2014).
De acuerdo a lo anterior, la fabricación de aleaciones y pigmentos o colorantes son las principales fuentes de contaminación respecto a metales pesados, sin embargo, cabe resaltar que la utilización de ciertas sustancias con presencia de estos metales en la minería ilegal también es considerada una fuente de contaminación relevante para el ambiente.
Efectos tóxicos de los metales pesados
Los efectos de los metales sobre el funcionamiento de los ecosistemas varían considerablemente y son de importancia económica y de salud pública (Cañizares, 2000). Entre los mecanismos moleculares que determinan la toxicidad de los metales pesados se encuentran:
1. El desplazamiento de iones metálicos esenciales de biomoléculas y bloqueo de sus grupos funcionales.
2. Modificación de la conformación activa de biomoléculas, especialmente enzimas y polinucleótidos.
3. Ruptura de la integridad de biomoléculas y modificación de otros agentes biológicamente activos.
Debido a su movilidad en los ecosistemas acuáticos naturales y a su toxicidad para las formas superiores de vida, los iones de metales pesados presentes en los abastecimientos de agua superficiales y subterráneos, se les ha dado prioridad como los contaminantes inorgánicos más importantes en el ambiente (Cañizares, 2000). Aun cuando se encuentren presentes en cantidades bajas e indetectables, la recalcitrancia y consiguiente persistencia de los metales pesados en cuerpos de agua, implica que a través de procesos naturales como la biomagnificación, su concentración puede llegar a ser tan elevada que empiece a ser tóxica, según lo confirma (Cañizares, 2000) y llegar de esta forma por medio de la cadena trófica a los seres humanos, afectando la salud y diferentes órganos. De acuerdo a lo anterior, a continuación, se observan los efectos en la salud que se presentan respecto a cada uno de los principales metales pesados a consideración.
Tabla 3. Principales metales pesados y sus efectos sobre la salud.
Metales
pesados Efecto sobre la salud
Cadmio (Cd) Irritación grave del estómago, produciendo vómitos y diarrea, daño en los riñones y en ocasiones la muerte
Zinc (Zn) Los altos niveles de zinc producen anemia, daño del páncreas, dolores estomacales, náuseas y vómitos
Cromo (Cr) Erupciones cutáneas, malestar estomacal, úlceras, problemas respiratorios, debilitamiento del sistema inmune, daño en los riñones e
hígado, alteración del material genético y posiblemente la muerte Níquel (Ni) Dolores estomacales, efectos adversos en la sangre y en los riñones,
bronquitis crónica y alteraciones del pulmón
Mercurio (Hg) Daño en los riñones, temblores daños neuro sensoriales y cognitivos
Fuente: (Tejada et al., 2014).
Respecto a lo anterior cabe resaltar que los principales efectos en la salud debido a los altos niveles bioacumulados en el organismo producen sobre todo afecciones digestivas y neurológicas. Sin embargo, altos niveles de acumulación en el organismo de algunos de los principales metales pesados ocasionan la muerte.
5.7.1. Cromo
El cromo como elemento químico, tiene símbolo Cr, número atómico 24, peso atómico 51,9. Es un metal de color blanco plateado, duro y quebradizo. Sus principales usos son la producción de aleaciones anticorrosivas de gran dureza, resistentes al calor y como recubrimiento para galvanizados (Fluence News Team, 2016).
El cromo existe en nueve estados de valencia, pero se manifiesta en el medio ambiente más comúnmente como compuestos de Cr (III), Cr (VI) y en la forma metálica Cr (0). Los métodos
más empleados en la eliminación de iones Cr (VI) implican la reducción química a iones de Cr (III), el cual es menos tóxico y menos soluble y la precipitación química como Cr (OH)3 utilizando una solución alcalina (Meneses et al., 2018). Así mismo, existen otros métodos convencionales tales como adsorción con carbón activado, electrocoagulación, ultrafiltración, intercambio iónico con resinas, ósmosis inversa, filtración con membranas y fotocatálisis (Meneses et al., 2018). Sin embargo, la eficiencia de estos métodos disminuye cuando la concentración de cromo en el agua es baja, entre (1 – 100 mg/l), por lo que su aplicación es rentable para altas concentraciones de cromo.
El cromo hexavalente, un compuesto tóxico hallado ciertas veces en el agua, es una forma cancerígena del cromo en estado de oxidación. No tiene olor ni sabor, y puede ser encontrado en forma natural en rocas, suelo y plantas. Sin embargo, dado que el cromo es utilizado industrialmente en una amplia variedad de productos, puede ser liberado al medio ambiente por medio de la erosión y las fugas y como contaminante industrial, es muy común encontrarlo en el agua (Fluence News Team, 2016). La toxicidad del cromo hexavalente puede causar daños en el hígado, problemas reproductivos y de desarrollo, y también cáncer (Fluence News Team, 2016).
El cromo (VI) es un peligro para la salud de los humanos, especialmente para las personas que trabajan en la industria del acero y textil. El Cromo (VI) es conocido porque causa varios efectos sobre la salud, por lo que, cuando es un compuesto, en los productos de la piel, puede causar reacciones alérgicas, como erupciones cutáneas, mientras que después de ser respirado puede causar irritación nasal y sangrado de la nariz (Fluence News Team, 2016).
Este elemento es un contaminante cuya concentración máxima permisible en vertimientos industriales es de 0,5 mg/L, según la Resolución 631 de 2015 del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, para la República de Colombia, por la cual se establecen estándares ambientales en materia de vertimientos.
Industrias con aplicación de cromo
El cromo es el segundo metal, después del plomo, más común presente en los acuíferos contaminados. Con el crecimiento de las actividades industriales las fuentes de contaminación
