BIBLIOTECA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE IGENIERIA QUIMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA
Influencia del cloruro férrico, tiempo y velocidad de agitación en tratamiento de agua ácida del río Negro, distrito Olleros, Huaraz
TESIS
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico
Autores: Quispe Vilcapoma, Melina Elizabeth Zavaleta Avalos, Robin Osvar Asesor: Mg. Paul Henry Esquerre Pereyra
Trujillo – Perú
2022
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JURADO CALIFICADOR
__________________________________
Dr. Luis Orlando Moncada Albitres Presidente
__________________________________
Ms. Jorge Guillermo Zamalloa Barrera Secretario
__________________________________
Ing. Segundo Juan Diaz Camacho Miembro
__________________________________
Mg. Paul Henry Esquerre Pereyra Asesor
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DEDICATORIA
A Dios, por orientar mi vida con su luz y permitirme disfrutarla con mis seres queridos.
A mis padres, Elizabeth y Pedro, por ser un apoyo constante, aconsejarme cuando lo necesito, motivarnos para ser mejores personas y siempre estar presentes.
A mi hermana Milene, quien siempre te alegra el día de la mejor manera.
Gracias por todo su amor y cariño.
Br. Melina Elizabeth Quispe Vilcapoma
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DEDICATORIA
Al Creador Todopoderoso por darme la vida y la salud, por guiarme con su luz para lograr mis metas y por todas las infinitas bendiciones que me brinda.
A mis padres, Sergio y Marina, por su apoyo incondicional en mi formación profesional, por guiarme por el buen camino con su ejemplo y sus consejos, son mi principal motivo para salir adelante,los amo con todo mi corazón.
A mis hermanos, Flor y Yosbin, por su cariño, amor y el apoyo brindado cuando más lo necesito, los quiero mucho.
A mi tía Armida, por todo su apoyo y su cariño, lo quiero mucho.
Br. Robin Osvar Zavaleta Avalos
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AGRADECIMIENTOS
Nos sentimos muy orgullosos de pertenecer a la Facultad de Ingeniería Química de nuestra alma mater: Universidad Nacional de Trujillo, en donde pasamos 5 maravillosos años
aprendiendo y compartiendo gratos momentos con nuestros docentes y compañeros, siempre atesoraremos tan hermosos recuerdos. Gracias a todos docentes por contribuir en
nuestra formación académico y profesional.
A nuestro asesor: Mg. Paul Henry Esquerre Pereyra
quien siempre nos motivó y apoyó con la ejecución de la presente tesis, muchas gracias por brindarnos su amistad.
A un gran amigo, Ing. Ivan Eugenio Vásquez Alfaro, docente de la Facultad de Ingeniería de Materiales por brindarnos las instalaciones de su laboratorio para poder ejecutar la fase
experimental de nuestro proyecto, muchas gracias por tu apoyo.
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ÍNDICE
JURADO CALIFICADOR ... ii
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTOS... v
ÍNDICE ... vi
ÍNDICE DE TABLAS ... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ... x
RESUMEN ... xii
ABSTRACT... xiii
I: INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. Realidad problemática ... 1
1.2. Antecedentes... 3
1.3. Marco teórico... 6
1.3.1. Partículas coloidales ... 6
1.3.2. Proceso de coagulación... 9
1.3.3. Coagulante utilizado: cloruro férrico ... 12
1.3.4. Factores que influyen en la coagulación ... 14
1.3.5. Prueba de jarras... 16
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1.3.6. Drenaje ácido de roca ... 16
1.3.7. Generación de acidez por metales pesados en agua ácida ... 20
1.4. Problema ... 23
1.5. Hipótesis ... 23
1.6. Objetivos... 24
1.7. Justificación del problema ... 24
II: MATERIALES Y MÉTODOS... 26
2.1. Materiales: ... 26
2.2. Métodos ... 29
III: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 34
3.1. Evaluación de los resultados obtenidos de las muestras ante las variables independientes del proceso ... 35
3.2. Análisis del diseño factorial para el hierro ... 35
3.3. Análisis del diseño factorial para el arsénico ... 41
IV: CONCLUSIONES... 48
V: RECOMENDACIONES ... 49
VI: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 50
ANEXO I ... xiv
ANEXO II ... xxi
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ANEXO III ... xxvi
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Caracterización de drenajes de mina según pH y la alcalinidad de los
minerales/potencial de acidez... 17
Tabla 2: Variables independientes y dependientes de la tesis ... 29
Tabla 3: Diseño experimental: factores y niveles... 30
Tabla 4: Valores del diseño experimental generado por Minitab 19. ... 31
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Distribución de partículas en el agua según tamaño ... 7
Figura 2: Acción del coagulante ... 8
Figura 3: Proceso de coagulación ... 10
Figura 4: Coagulación por adsorción... 11
Figura 5: Coagulación por barrido... 12
Figura 6: Formación de aguas ácidas... 17
Figura 7: Mecanismo de formación de aguas ácidas ... 19
Figura 8: Diagrama de Pourbaix del hierro ... 21
Figura 9: Diagrama de Pourbaix del arsénico ... 23
Figura 10: Mapa del distrito de Olleros-Huaraz ... 26
Figura 11: Mapa satelital del río Negro ... 27
Figura 12: Diagrama de bloques del procedimiento experimental ... 32
Figura 13: Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el hierro ... 36
Figura 14: Gráfica normal de los efectos estandarizados para el hierro ... 37
Figura 15: Gráfica de efectos principales para el hierro. ... 38
Figura 16: Gráfica de interacción para el hierro ... 39
Figura 17: Gráfica de cubos para el hierro ... 40
Figura 18: Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el arsénico ... 42
Figura 19: Gráfica normal de los efectos estandarizados para el arsénico ... 43
Figura 20: Gráfica de efectos principales para el arsénico ... 44
Figura 21: Gráfica de interacción para el arsénico ... 45
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Figura 22: Gráfica de cubos para el arsénico... 46
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RESUMEN
En la presente investigación, se evaluó la influencia de la dosis de coagulante (Cloruro férrico al 0,1 % P/V), tiempo y velocidad de agitación en la remoción de metales pesados (Fe y As) del agua ácida del río Negro, ubicado en el distrito de Olleros – Huaraz. La fase experimental requirió de 20 L de agua de río, caracterizada por valores bajos de pH, altos valores de turbidez y metales disueltos en: arsénico y hierro, siendo muy perjudiciales para la salud de los pobladores de la zona debido a que ellos consumen agua del río. Se utilizó la prueba de jarras para establecer las condiciones óptimas del proceso de tratamiento y los resultados se compararon con los parámetros inorgánicos de la Categoría 1 – A1 de los Estándares de Calidad de Agua (DS-004-2017 MINAM). Se obtuvieron excelentes resultados de remoción de arsénico y hierro: 96% y 99%, respectivamente, en el tratamiento de agua ácida mediante la prueba de jarras con los siguientes parámetros: Do = 24 mL, Vag
= 50 RPM, Tag = 15 minutos.
PALABRAS CLAVES: Agua ácida, río Negro, prueba de jarras, cloruro férrico, coagulación.
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ABSTRACT
In the present investigation, the influence of the dosage of coagulant (ferric chloride at 0.1 % P/V), time and speed of agitation in the removal of heavy metals (Fe and As) from the acidic water of the Negro river, located in the district of Olleros - Huaraz. The experimental phase required 20 L of river water, characterized by low pH values, high turbidity values and dissolved metals in: Arsenic and Iron, being very harmful to the health of the inhabitants of the area because they consume water from the river. The jar test was used to establish the optimal conditions of the treatment process and the results were compared with the inorganic parameters of Category 1 – A1 of the Water Quality Standards (DS-004-2017 MINAM). Excellent arsenic and iron removal results were obtained: 96% and 99%, respectively, in the treatment of acidic waters through the glass test with the following parameters: Do = 24 mL, Vag = 50 RPM, Tag = 15 minutes.
KEY WORDS: Acid water, Negro river, jar test, ferric chloride, coagulation.
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I: INTRODUCCIÓN
1.1. Realidad problemática
El agua representa el líquido más abundante en el planeta y es esencial para la vida.
Sin embargo, los ecosistemas se degradan velozmente debido a los efectos del cambio climático, los productos de desecho generados de las actividades industriales, mineros y agrícolas, los residuos rurales no tratados y urbanos, vertimientos de sustancias tóxicas como el petróleo, los cuales causan un impacto negativo en la biodiversidad y ecosistemas de agua dulce (UNESCO, 2020), contribuyendo al agotamiento y escasez del agua en el planeta. La Organización Mundial de la Salud (2018) afirma que todas las personas deben disponer de un abastecimiento satisfactorio y mejora del acceso al agua. Se estimó que, en los últimos 100 años, el uso de agua se ha multiplicado por seis y continúa incrementando a un ritmo acelerado de 1% anual debido al crecimiento de la población mundial, a la evolución económica y variación en los modelos de consumo (UNESCO, 2020), siendo otro factor que contribuye al agotamiento del agua. Para evitar el agotamiento de este recurso primordial, es necesario diseñar propuestas de tratamiento de agua de acuerdo con la zona a evaluar.
Actualmente, existen diferentes métodos de tratamientos químicos, físicos, biológicos y combinaciones de ellos que permiten mejorar la calidad de agua y poder reutilizarla.
Ercilio et al. (2005) mencionan que el Perú posee el 5% del total del agua dulce del mundo y se encuentra divididos en 106 cuencas hidrográficas, 12201 lagunas y más de 1007 ríos, la distribución de este recurso corresponde al consumo humano, uso industrial y agrícola. El cambio climático ha producido que los glaciares disminuyan en un 35%
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productivas (Guevara y Verona, 2014). Zimmer et al. (2018) aseguran que el derretimiento glacial deja expuestas las rocas mineralizadas al aire libre, favoreciendo la lixiviación y oxidación, generando drenaje ácido natural de roca (DAR) y desplazamiento de metales como arsénico, manganeso, hierro, cromo, cadmio, aluminio, plomo, etc. hacia los cuerpos de agua, afectando la calidad para sus diferentes usos y propone un tratamiento biológico como una estrategia eficaz para mitigar los efectos del DAR.
Según SEDALIB (2018) el inventario de pasivos ambientales mineros que desembocan en el río Santa es de 885, siendo 634 pertenecientes a al departamento de Ancash y 251 al departamento de La Libertad.
Zimmer et al. (2018) afirman que después del terremoto de 1970 en Ancash, los habitantes notaron una alteración progresiva en la calidad del agua del río Negro. Este evento sísmico ocasionó muchas pérdidas humanas en la región, así como gigantescos aluviones en el área que modificaron la mayor parte del territorio; asimismo, cambió el recorrido de corrientes de agua, lo que provocó la adición de metales a dichas fuentes. Los pobladores afirman que la alteración de la calidad del agua se inició repentinamente en consecuencia del terremoto, no obstante, el proceso aún continúa y se ha elevado en los últimos años a causa del DAR, generado y fomentado por el deshielo acelerado de los glaciares. También señala que se encontraron altas valores de concentración de hierro y sulfatos en el río Negro, debido a la presencia de pirita en la región, los cuales al exponerse a la intemperie se convierten en una mayor fuente de DAR.
Según los monitoreos realizados por SEDALIB, el río Negro se caracteriza por sus aguas ácidas, con un pH de 4,01, presencia de concentración de hierro en 5,386 mg/L, el cual supera los Estándares de Calidad de Agua (ECA), siendo muy dañino para consumo humano
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y agricultura. Esta problemática se evidencia mediante ausencia de truchas, decrecimiento de la productividad de la vegetación, el amarillamiento del agua y el color rojizo de las rocas de los ríos que prueban la presencia de hierro, causando preocupación en la comunidad de Olleros, a lo largo de los últimos 40 años. (Zimmer et al., 2018).
A inicios de febrero del 2021, realizamos el análisis de parámetros inorgánicos del agua del río Negro y se encontraron valores altos en arsénico y hierro, los cuales superan en 300% y 197%, respectivamente, a los parámetros de ECA Categoría 1 – A1.
Actualmente, debido a la falta de agua potable, el río Negro proporciona agua para consumo humano, bebida de animales y agricultura a los residentes de la zona alta de Olleros, por ende, la comunidad manifiesta que el agua está contaminada, afectando el bienestar y salud de la comunidad. En consecuencia, los habitantes claman a las autoridades la instalación del servicio de agua potable, lo cual mejorará su calidad de vida. (Minaya, 2020).
1.2. Antecedentes
Francisca y Carro Pérez (2014), en su investigación realizada en Argentina, aseguran que el proceso de coagulación-floculación es muy eficiente en la remoción de arsénico en agua, asimismo exponen que el arsénico en estado oxidado se remueve con mayor facilidad.
Realizaron más de 100 pruebas de laboratorio para comparar la efectividad de la supresión de arsénico en agua, que será destinada al consumo humano, usando cloruro férrico y sulfato de aluminio como coagulantes, y logrando remociones de 95% y 80% respectivamente con cada coagulante. Por ende, concluyen que el cloruro férrico tiene un alto porcentaje de eficiencia para remoción de arsénico en comparación al sulfato de aluminio.
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Aguilar Limón (2005), en su tesis de maestría realizada en México, estudia la eliminación de arsénico en aguas subterráneas, con mecanismos de oxidación/precipitación/filtración, empleando diferentes coagulantes como cloruro férrico, sulfato ferroso y sulfato férrico para encontrar el mayor porcentaje de eliminación de arsénico. Concluye que la mayor eficiencia en la remoción de dicho contaminante es 92,42%
utilizando cloruro férrico, con los siguientes parámetros: dosis de 22,63 mg/L y tiempo de agitación de 20 minutos. Además, afirma que el cloruro férrico como coagulante es una tecnología de bajo costo.
Campo Chapeña y Tobar Olave (2011), en su investigación sobre el tratamiento primario avanzado para agua residual de la Planta de Tratamiento de Agua Residual en Cañaveralejo, Colombia, evaluaron la dosificación de cloruro férrico mediante pruebas de Jarras y elaboración de diagramas de coagulación para la reducción de Sólidos Suspendidos Totales (SST) y DQO, en donde proponen condiciones óptimas de: 14 a 18 mg/L de cloruro férrico, velocidad de agitación desde 53 a 81 RPM por 20 minutos, obteniendo reducción del 63% en SST y 42% de DQO.
Gutiérrez Cámero (2019), en su investigación de tesis de pregrado, realizada en Tacna, estudió la influencia del almidón de yuca como ayudante en la coagulación y determinó el porcentaje de cloruro férrico, en la etapa de clarificación, como coagulante que puede ser reemplazado por el almidón de yuca, y contribuye a la eliminación de arsénico y hierro presente en el río Uchusuma, logrando concentraciones finales de 0,005 mg/L para arsénico y 0,15 mg/L para hierro. Además, argumenta que el cloruro férrico sobresale por amplitud de trabajo en un rango de pH, de 4,5 a 12, siendo muy eficiente en la remoción de solidos suspendidos, metales y DBO.
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Qiao et al. (2012) en su investigación realizada en China, estudiaron la eliminación de arsénico usando cloruro férrico como coagulante, el efecto del pH y el ratio de As/Fe en el porcentaje de remoción de dicho contaminante. Realizaron el “Test de Jarras” a d iferentes ratios y diferentes valores de pH, donde establecen los siguientes parámetros: Mezcla rápida a 120 RPM por 1 minuto para homogenizar la mezcla, luego una mezcla lenta por 20 minutos a 40 RPM, con una posterior sedimentación por 30 minutos. Para una relación molar de As/Fe de 0,12, observan que hay una eliminación de mayor a 99% de As (V) a pH 5,0-7,0, mientras que la eliminación de As (III) fue menor a pH bajo y aumentó al máximo a pH 9,0. Por lo tanto, determinan que a pH de 8,5 se alcanza un porcentaje de remoción por encima del 80%.
Quispe Coica (2016), en su investigación de pregrado sobre la remoción de arsénico utilizando cloruro férrico como coagulante en los efluentes mineros de la compañía minera Poderosa, evaluó las concentraciones de cloruro férrico para cada efluente minero. Se determinaron que para los efluentes minero Estrella, Consuelo y Atahualpa, las dosificaciones de cloruro férrico fueron de 8,34 mg/L, 12,05 mg/L y 8,34 mg/L, respectivamente, a pH entre 7,95 a 8,23, obteniendo un 95,34% de eficiencia en su tratamiento para remoción de arsénico y logrando cumplir con los Límites Máximos Permisibles (LMP) para efluentes mineros antes del vertimiento a los cuerpos receptores establecidos en el DS 010-2010 del MINAM. Adicionalmente asegura que la concentración de cloruro férrico influye proporcionalmente en la remoción de arsénico, disminuyendo la concentración de arsénico de 0,3434 mg/L a 0,0087 mg/L con 20,39 mg FeCl3/L, alcanzando un 97,47% de efectividad.
Azabache Liza (2017), en su investigación de tesis doctoral realizada en Perú, estudia
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Juninguillo, Moyobamba, usando como coagulantes cloruro férrico y sulfato de aluminio.
Realizó experimentos a diferentes niveles de dosis de coagulantes y velocidades de agitación utilizando el “Test de Jarras”, donde concluye los parámetros óptimos para remover hierro (II) en un 95,59 % usando cloruro férrico son: 80 mg FeCl3/L y una velocidad de mezcla rápida (Proceso de Coagulación), de 200 RPM, seguido de una velocidad de mezcla lenta (Proceso de Floculación) de 50 RPM, logrando cumplir con los ECA para Agua Tipo III.
Pary Hilary y Mamani Parisuaña (2018), en su tesis de pregrado señala que el río Ayaviri en Puno, presenta alto nivel de concentración en arsénico: 0,08 mg/L y propone el tratamiento por oxidación, floculación, sedimentación y filtración con 14,64 mg/L de cloruro férrico para la oxidación óptima del arsénico, 0,022 g/L de óxido de calcio (CaO) para floculación, utilizando una velocidad de agitación de 200 RPM por 25 minutos y otros 25 minutos adicionales para la sedimentación, a un pH de 8,5; obteniend o una remoción del 93,75% de arsénico. La concentración final es 0,005 mg/L arsénico, permitiendo cumplir los LMP para el parámetro de As, que en aguas naturales para consumo humano es de 0,01 mg/L, establecido en el D.S. N° 004-2017 MINAM.
1.3. Marco teórico
1.3.1. Partículas coloidales
Las partículas coloidales en el agua generalmente tienen un diámetro entre 1 a 1000 milimicrómetros, del mismo modo, dependen de su origen y naturaleza. Dichas partículas representan la turbiedad y color del agua. (Barrenechea Martel, 2004)
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Figura 1: Distribución de partículas en el agua según tamaño Fuente: Barrenechea Martel, A. (2004)
Sifuentes Guzmán y Ullilén Rosales (2018) afirman que las partículas coloidales pueden ser hidrofílicas o hidrófobas. Las hidrofílicas poseen atracción al agua, por lo tanto, se dispersan y se asocian a las moléculas de agua; y las hidrófobas se repelen al agua, su dispersión no es voluntario y necesita el respaldo de medios físicos y químicos.
Díaz Claros (2014) nos menciona que los coloides se encuentran supeditados a dos tipos de fuerzas: fuerzas de atracción de Van Der Waals y fuerzas de repulsión electrostáticas.
Las fuerzas de atracción de Van Der Waals son fuerzas generadas por el movimiento constante de las partículas, mientras que las fuerzas de repulsión electrostáticas son fuerzas que imposibilitan la acumulación de partículas cuando se encuentran cerca.
Las propiedades más relevantes que involucran a los coloides son: área superficial extremamente grande y movimiento browniano, las cuales permiten desafiar la ley de la
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gravedad, dificultando su eliminación por sedimentación simple. Los coloides absorben iones en cantidades desiguales debido al área superficial, generando la creación de una carga eléctrica que colabora a su equilibrio. El objetivo del movimiento browniano y la generación de esa carga eléctrica es una colisión permanente entre partículas.
Rodríguez Salcedo (2008) nos indica que el grado de estabilidad de las partículas coloidales se determina por el potencial zeta, el cual relaciona la distancia y la carga de la partícula, por la cual, la carga es efectiva. El potencial zeta se basa en la teoría de la doble capa, debido a que los coloides se singularizan por disponer de 2 capas eléctricas a su alrededor, las cuales le brindan estabilidad. La capa interna está conformada por aniones y cationes, pero mayormente tiene una carga neta negativa. La capa exterior se encuentra constituido por cationes intercambiables como, K+, Mg++, Ca++, H+, Na+ etc.
Figura 2: Acción del coagulante Fuente: Gonzáles, M. (2016)
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1.3.2. Proceso de coagulación
La coagulación es un proceso de inestabilización química entre las partículas coloidales ocasionado por la neutralización de las fuerzas que los mantienen distantes, a través de la energía de agitación y la adición de coagulantes químicos. Este proceso es el más eficiente sin embargo equivale un alto costo cuando no se realiza de forma adecuada.
(Gutiérrez Cámero, 2019)
Azabache Liza (2017) menciona que la coagulación también es conocida como la desestabilización eléctrica de algunas partículas a través de la adición de sustancias químicas conocidas como coagulantes. La ejecución de este proceso se efectúa en tanques y unidades de mezcla rápida, en donde el agua se somete a agitación muy enérgica para desarrollar una solución homogénea en un tiempo reducido.
La coagulación permite remover la turbiedad que no puede sedimentarse rápidamente, color, bacterias, organismos patógenos, plancton y algas o virus, etc. que pueden ser disgregados por este método
El proceso de coagulación (Lorenzo-Acosta, 2006) presenta las siguientes fases:
• 1° Fase: Hidrólisis de coagulantes e inestabilización de las partículas presentes en suspensión. Mayormente se lleva a cabo por la adición de reactivos químicos que eliminan las fuerzas repulsivas y actúan sobre la hidrofilia en las partículas.
• 2° Fase: Formación de compuestos químicos poliméricos, al interactuar con los reactivos químicos facilitan la aglomeración formando partículas más grandes.
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• 3° Fase: Adsorción de cadenas polimérica
• 4° Fase: Adsorción mutua de coloides.
• 5° Fase: Acción de barrido.
Figura 3: Proceso de coagulación Fuente: Barrenechea Martel, A. (2004)
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Existen 2 tipos de coagulación: por adsorción y por barrido (Barrenechea, 2004):
• Coagulación por adsorción:
Si el agua a tratar es agua turbia que presenta alta concentración de partículas en estado coloidal, al añadir el coagulante, formará flóculos de manera inmediata debido a que los productos solubles del coagulante son absorbidos por los coloides.
Figura 4: Coagulación por adsorción Fuente: Barrenechea Martel, A. (2004)
• Coagulación por barrido:
Las partículas coloidales son capturadas al provocar una sobresaturación del precipitado de cloruro férrico o sulfato de aluminio (coagulantes). Se
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evidencia cuando el agua a tratar tiene baja turbidez y la concentración de partículas coloidales es reducida.
Figura 5: Coagulación por barrido Fuente: Barrenechea Martel, A. (2004)
1.3.3. Coagulante utilizado: cloruro férrico
Gutiérrez Cámero (2019) afirma que el cloruro férrico es un coagulante ventajoso, de alta eficiencia y que una de sus presentaciones se encuentra en estado líquido al 42 %, el cual cuenta con propiedades ácidas y corrosivas. Se utiliza en plantas de tratamiento de agua residual y agua potable, muy utilizado por su alta efectividad en la remoción de metales pesados y orgánicos y; además, se emplea como un agente de grabado en litografías y fotografía, agente oxidante, pigmento, catalizador, aditivo de piensos, desinfectante.
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Guadalupe Zerbatto (2012) señala que la presentación del cloruro férrico se encuentra en líquida o sólido; siendo la presentación líquida la más usada en el tratamiento de aguas.
El cloruro férrico en estado sólido es cristalino, de color pardo, higroscópico y su fórmula química es FeCl3.6H2O. Tiene bajo punto de fusión: a 34 °C, en consecuencia, es recomendable alejarla del calor. Su presentación líquida comercial es de concentración promedio de 40% de FeCl3. El FeCl3 tienen un gran poder corrosivo, por el cual las soluciones acuosas de se reducen inmediatamente a cloruro ferroso (FeCl2) cuando tienen presencia de hierro, por lo tanto, es necesario seleccionar de forma adecuada el tipo de material de los envases de almacenamiento, preparación y distribución.El rango de pH óptimo de cloruro férrico como coagulante está comprendido entre 4 y 9.
El cloruro férrico es usado como coagulante y destaca su ef iciencia en altos rangos de temperatura y pH. Asimismo, genera iones trivalentes (𝐹𝑒3+) de mayor peso molecular, los cuales son primordiales en la coagulación. (Zerbatto et al., 2009).
Rodríguez Salcedo (2008) argumenta que el cloruro férrico forma flóculos de hidróxido férrico cuando reacciona con cal o la alcalinidad presente en el agua. Este coagulante resalta por ser barato, pero debido a su alta agresividad, su manejo resulta difícil y debe emplear equipo de protección personal contra la corrosión. Se detallan las reacciones del cloruro férrico (𝐹𝑒𝐶𝑙3) en el agua:
1) Con la alcalinidad:
2 𝐹𝑒𝐶𝑙3 + 3 𝐶𝑎(𝐻𝐶𝑂3)2 → 3 𝐶𝑎𝐶𝑙2 + 2 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3↓ + 6 𝐶𝑂2 (1) 2) Con cal:
2 𝐹𝑒𝐶𝑙3 + 3 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 → 3 𝐶𝑎𝐶𝑙2 + 2 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3↓ (2)
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Pérez Beltrán (2017) refiere que el cloruro férrico puede aplicarse en concentraciones del 2% al 20% v/v FeCl3 conforme a las características de la planta de tratamiento y puede aplicarse en rangos de 4 a 11 en potencial de hidrógeno, aunque su uso es más común en para aguas ácidas y blandas, coloreadas y con contenido de ácido sulfhídrico. Su manejo es complicado porque generan lodos con hierro debido a que son corrosivos, logrando teñir objetos y corrientes de agua.
1.3.4. Factores que influyen en la coagulación
Guadalupe Zerbatto (2012) indica los factores que afectan el rendimiento del proceso de coagulación, los cuales permitirán predecir la cantidad de coagulante a utilizar y son los siguientes:
• Turbidez:
Las partículas suspendidas muy finas son más difíciles de coagular a comparación de las de gran tamaño, por lo tanto, se requiere mayor dosificación de coagulante cuando la turbidez es mínima.
• Temperatura del agua:
La temperatura varía el tiempo de formación de los flóculos, a menor temperatura, la reacción se desarrolla lentamente y el tiempo de formación de los flóculos es mayor.
• pH:
Azabache Liza (2017) menciona que cada coagulante presenta un rango de pH óptimo en donde se puede realizar un buen proceso coagulación en menor tiempo y con la misma dosis de coagulante.
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• Alcalinidad:
La alcalinidad se encuentra relacionada con el pH y, por lo tanto, se debe considerar en la coagulación.
• Mezcla:
La velocidad de agitación de la mezcla durante la adición del coagulante es determinante para saber si el proceso de coagulación es completo, debido a que debe ser uniforme e intenso en todo el volumen de agua para garantizar que la mezcla entre coagulante y el agua haya producido la reacción correspondiente para la neutralización de cargas.
• Dosis de coagulante:
La dosificación del coagulante es directamente proporcional al rendimiento de la coagulación. Con baja dosis de coagulante, la carga de las partículas no se neutraliza del todo, generando escasos micro coágulos, en consecuencia, la turbidez residual se eleva. Con alta dosis de coagulante, genera inversión de la carga de las partículas, produciendo gran cantidad de micro coágulos que presentan velocidades de sedimentación lentas, en consecuencia, la turbidez residual también se eleva.
• Valencia de iones:
Azabache Liza (2017) indica que, si la valencia del ion es mayor, la coagulación resulta más efectiva.
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1.3.5. Prueba de jarras
Caso Rupay y Laureano Estrella (2018) afirman que la prueba de jarras es un procedimiento de laboratorio que permite establecer los parámetros necesarios para el tratamiento de aguas. La prueba de jarras proporciona el mando para regular el pH, variabilidad en la dosificación de coagulante, alternando diferentes velocidades de agitación para facilitar el mezclado, a pequeña escala con la finalidad de pronosticar el desempeño de una operación a gran escala. Este sistema permite realizar la simulación de los procesos de coagulación y floculación que favorece la remoción materia orgánica y partículas coloidales en suspensión que pueden conducir a problemas de sabor, turbidez y olor.
1.3.6. Drenaje ácido de roca
El drenaje ácido es un proceso natural y/o en consecuencia de las actividades antropogénicas, originado por las reacciones de oxidación de minerales sulfurados y lixiviación de otros metales (metales asociados) al ser expuestos al aire, agua y condiciones en las que las bacterias sirvan de catalizadores para acelerar la oxidación de la pirita. Se caracterizan por presentar pH bajo, alta salinidad, elevada conductividad eléctrica, concentración y toxicidad de metales pesados como Hg, As, Cu, Pb, Zn, Cd, Sb, Se, etc.
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Figura 6: Formación de aguas ácidas Fuente: Adurive, O. (2006)
Tabla 1: Caracterización de drenajes de mina según pH y la alcalinidad de los minerales/potencial de acidez
Fuente: Adurive (2006)
Tipo pH Descripción
Ácido < 6
• Acidez originada por la reacción de los minerales con oxígeno, generalmente sulfuros.
• Presenta concentración significativa de metales disueltos.
• Relacionado a minas polimetálicas, de carbón y piritas.
Alcalino > 9 o 10
• La disolución de minerales básicos (como hidróxidos, silicatos y óxidos) ocasionan una alta alcalinidad.
• Presenta concentraciones altas en algunos metales como Aluminio.
• Relacionado a molienda de bauxita, cenizas de combustión de carbón y mina de diamantes.
Casi
neutro 6-9 o 10
• Depende de la concentración de minerales que pueda presentar, a veces pueden ser alcalinos o ácidos.
• A veces los metales disueltos presentan una concentración dañina.
Otros Irrelevante
• Afecta la concentración de metales.
• Relacionado a minería no metálica: boratos, gravas, bentonitas, arcillas, etc.
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Soloisolo Cutipa (2021) sostiene que el mecanismo de formación de aguas ácidas se da a través de 3 etapas:
• 1° Etapa
Los minerales sulfurados se oxidan por medio del oxígeno presente en el aire, obteniéndose como productos de la reacción: sulfatos, hierro ferroso y acidez (ion H+). Normalmente, se produce en rango de 5 a 7 de pH de aguas y suelos, los minerales presentes deben ser liberados a través de la erosión de metales pesados que mayormente precipitan y se mantienen fijos a causa de los minerales alcalinos como la calcita (CaCO3) presentes en la mezcla, los cuales neutralizan la acidez, contribuyendo con la oxidación y precipitación del hierro como óxido o hidróxido.
• 2° Etapa:
El pH disminuye hasta aproximadamente 4,5; por lo tanto, se realizan las reacciones químicas y biológicas de oxidación. Si la reacción de oxidación es constante hasta que se haya acabado todo el potencial de neutralización, pueden encontrarse concentraciones altas de hierro ferroso y sulfatos, la concentración de metales de la solución puede disminuir a pesar de manifestar acidez relativamente alta.
• 3° Etapa:
El proceso de oxidación aumenta con apoyo de las bacterias como catalizador.
Se obtiene hierro ferroso que se oxida a hierro férrico, transformándose en el oxidante dominante, desplazando al oxígeno y el drenaje aumenta su nivel de
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acidez como resultado de la oxidación de sulfuros metálicos (PbS, ZnS, etc), que presentan alta concentración de metales disueltos. La velocidad de reacción (oxidación) es notablemente más acelerada que en la primera etapa.
A través de algunos estudios se ha comprobado el aumento de las velocidades de reacción.
Figura 7: Mecanismo de formación de aguas ácidas Fuente: Adurive, O. (2006)
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1.3.7. Generación de acidez por metales pesados en agua ácida
Los sulfuros metálicos (MeS) como: pirita, marcasita, etc; pueden contribuir a la presencia de iones metálicos disueltos (Me: Fe, As, Cd, Zn, etc.) (Adurive, 2006).
𝑀𝑒𝑆(𝑠) + 2𝑂2→ 𝑀𝑒+2 (3)
𝑀𝑒𝑆(𝑠) + 3𝐹𝑒2(𝑆𝑂4)3 + 4𝐻2𝑂 → 𝑀𝑒+2 + 6𝐹𝑒𝑆𝑂4 + 4𝐻2𝑆𝑂4 (4) Los iones metálicos generan acidez protónica, si el 𝑀𝑒+2 se hidroliza como:
𝑀𝑒+2 + 2𝐻2𝑂 → 𝑀𝑒(𝑂𝐻)2(𝑠) + 2𝐻+ (5)
• Generación de acidez por acción del hierro:
La siguiente reacción se forma a partir de la oxidación de la pirita, generando hierro (ion ferroso), sulfato e hidrógeno. (Chaparro, 2019)
𝐹𝑒𝑆2 +7
2 𝑂2 + 𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒2+ + 2 𝑆𝑂42− + 2𝐻+ (6) Los compuestos disueltos obtenidos representan una elevación de concentración sólidos disueltos y acidez del agua.
Si las condiciones en las que se encuentra expuesta son altamente oxidantes, la mayoría de los iones ferrosos se convertirán y oxidarán en iones férricos.
𝐹𝑒2+ 1
4𝑂2 + 𝐻+ → 𝐹𝑒3+ +1
2 𝐻2𝑂 (7)
El ion férrico acelera su proceso por medio del catalizador Metallogenium, en el rango de 3,5 a 4,5 en pH, y por debajo de 3,5, la reacción esta influenciada por Thiobacillus ferroxidans.
𝐹𝑒3++ 3𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3(𝑠) + 3 𝐻+ (8)
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Algunos cationes férricos (𝐹𝑒3+) que no llegan a precipitar en la solución, pueden continuar con la oxidación a la pirita y nuevamente formar sulfatos, iones ferrosos o hidrógeno.
𝐹𝑒𝑆2+ 14𝐹𝑒3++ 8𝐻2𝑂 → 15𝐹𝑒2+ + 2 𝑆𝑂42− + 16𝐻+ (9) La significativa concentración del nivel de acidez que produce la reacción del hierro de la pirita en el que se precipita como 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3, se representa por la siguiente ecuación:
𝐹𝑒𝑆2+15
8 𝑂2+13
2 𝐹𝑒3+→ 15
2 𝐹𝑒2++17
2 𝐻+ (10)
El potencial de Fe(III)/Fe(II) es alto en medio ácido, pero desciende al incrementar el pH, generando la estabilidad de 𝐹𝑒3+ en forma de hidróxido.
Figura 8: Diagrama de Pourbaix del hierro Fuente: Soloisolo Cutipa (2021)
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• Generación de acidez por acción del arsénico:
Francisca y Carro Pérez (2014) sostienen que generalmente +5 y +3 son los estados de oxidación del arsénico presentes en el agua.
El arsenito o arsénico trivalente (As+3) se encuentra disuelto como H3AsO3, H2AsO4 -
,
H2AsO3-, y HAsO42- en aguas naturales con rango de pH entre 5 a 9, y el arsenato, o arsénico pentavalente (As+5) se encuentra en modo constante en aguas con superiores grados de concentración de oxígeno como H3AsO4 en el rango de pH de 2 a 13.Maldonado Arellano (2012) menciona que las reacciones de oxidación de los sulfuros como la pirita (FeS2) y arsenopirita (FeAsS2), suceden en situaciones normales de presión y temperatura, por medio de las siguientes reacciones:
Pirita:
𝐹𝑒𝑆2 +15
4 𝑂2 +7
2𝐻2𝑂 = 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3 + 2 𝑆𝑂42− + 4𝐻+ (11) Arsenopirita:
4( 𝐹𝑒𝐴𝑠𝑆2) + 13 𝑂2 + 6 𝐻2𝑂 = 4𝐹𝑒2+ + 4 𝑆𝑂42−+ 4𝐻3𝐴𝑠𝑂4 (12)
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Figura 9: Diagrama de Pourbaix del arsénico Maldonado Arellano, L. (2012).
1.4. Problema
¿Cómo influye el coagulante FeCl3, el tiempo y la velocidad de agitación en el tratamiento de agua ácida del río Negro ubicado en el distrito de Olleros – Huaraz?
1.5. Hipótesis
El coagulante FeCl3 tiene propiedades fuertemente electrolíticas y oxidantes, de modo que su dosificación influye directamente proporcional sobre la remoción de contaminantes como: Fe y As presentes en el agua ácida del río Negro, siendo favorecido por la velocidad de agitación mientras que un tiempo de agitación excesivo dificulta el proceso de separación líquido - sólido al propiciar que los coágulos se rompan.
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1.6. Objetivos
1.6.1. Objetivo General:
➢ Determinar la influencia de la dosis del coagulante FeCl3, tiempo y velocidad de agitación en el tratamiento de agua ácida del río Negro en el distrito de Olleros – Huaraz.
1.6.2. Objetivos Específicos:
➢ Caracterizar la muestra de agua del río Negro.
➢ Evaluar la dosis del coagulante FeCl3, velocidad y tiempo de tratamiento.
➢ Determinar las óptimas condiciones para el tratamiento de la muestra obtenida con el propósito de cumplir con los parámetros inorgánicos de los Estándares de Calidad de Agua, Categoría 1 – A1 del DS-004-2017 del MINAM.
1.7. Justificación del problema
Actualmente la población de la zona alta del distrito de Olleros, perteneciente a la provincia de Huaraz, carece de servicio de agua potable, por lo tanto, emerge la necesidad de utilizar agua del río Negro para su consumo, cuyas aguas son ácidas y con presencia de metales pesados, que son muy dañinos para la salud. Ante tal problemática, este proyecto busca determinar los parámetros óptimos de dosis de coagulante FeCl3,tiempo y velocidad de agitación para reducir la concentración de metales (hierro y arsénico) a valores que cumplan con la Categoría 1 – A1 de los Estándares de Calidad de Agua (DS-004-2017 del MINAM) y que con una posterior desinfección pueda ser apta para el consumo humano.
Además, los parámetros de tratamiento que se determinarán podrían ser aplicados a escala
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industrial para tratar este tipo de agua y solucionar el problema del consumo de agua ácida de la población antes mencionada.
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II: MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Materiales:
La muestra recolectada es agua ácida proveniente del río Negro ubicado en el distrito de Olleros, provincia de Huaraz, Región de Ancash. El río Negro pertenece a una subcuenca del Río Santa, junto con el río Pariac, Quilcay y Palta, en el margen derecho y con los ríos Santa Catalina, Mashra, Purucuta, Urpay y Llacash por la margen izquierda, abarcando una superficie de 1178,87 km2. Las coordenadas del punto de muestreo son las siguientes:
Latitud: 9° 40' 34,32'' Sur Longitud: 77° 26' 9,86'' Oeste.
Figura 10: Mapa del distrito de Olleros-Huaraz Fuente: SEDALIB, 2018
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Figura 11: Mapa satelital del río Negro Fuente: Google Maps, 2022
Se recolectó 20 L de agua del Río Negro para las 17 muestras de investigación. Por lo que se realizó un muestreo puntual recolectando 2 L de agua ácida cada veinte minutos en una misma jornada. La muestra de agua ácida se trajo desde Huaraz hasta Trujillo, en donde se analizaron los parámetros correspondientes en LASACI (Laboratorio de Servicios a la Comunidad e Investigación).
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2.1.1. Material de laboratorio
- 4 vasos de precipitación PYREX (1 L) - 3 pipetas PYREX (1 mL, 5 mL, 10 mL) - 3 probetas PYREX (25 mL, 100 mL y 1 L) - 2 fiolas PYREX (500 mL, 1 L)
- 2 pisetas de plástico
- 1 luna reloj de vidrio PYREX
- 1 embudo de vidrio de tallo largo PYREX - 1 varilla de agitación de vidrio
- 1 espátula metálica
- 40 unidades de papel filtro N° 40 Whatman - 24 frascos de plástico para muestra de 120 mL
2.1.2. Equipos
- Balanza analítica - Ohaus Pioneer (±0,1 mg), capacidad máxima de 210 g - pH metro digital – ATC (±0,01)
- Turbidímetro HACH 2100 Q (±0,10 NTU),
- Equipo de test de jarras - Phipps & Bird de 0-1000 RPM con 6 paletas de agitación del Laboratorio de Materiales Cerámicos de la Escuela de Ingeniería de Materiales de la UNT.
- Equipo ICP marca Thermo Scientific de LASACI de la Escuela de Ingeniería Química de la UNT.
- Equipo de filtración al vacío
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2.1.3. Reactivos - Cal viva - Agua destilada - Cloruro férrico (98%) - Ácido sulfúrico (98%)
2.2. Métodos
2.2.1. Variables
Tabla 2: Variables independientes y dependientes de la tesis
Variables independientes Variable dependiente
Dosis de FeCl3 0,1% P/V (8, 16, 24 mL)
Calidad del agua ácida (concentración final de iones: Fe y As)
Velocidad de agitación (50, 100, 150 RPM) Tiempo de agitación
(15, 20, 25 min)
Nota. Elaboración propia
2.2.2. Parámetros
- pH del proceso de neutralización entre 8-9 - Tiempo de sedimentación: 20 min
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2.2.3. Diseño experimental
El diseño experimental factorial 2k se realizó con ayuda del programa Minitab 19, en donde se incluyeron los factores principales del proceso de tratamiento, siendo las siguientes variables independientes: dosis de coagulante al 0,1% P/V (8 a 24 mL), velocidad de agitación (50 a 150 RPM) y tiempo de agitación (15 a 25 min) los cuales están conformados por dos niveles para cada factor, en donde se utiliza la codificación de 1 (valor mayor) y -1 (valor menor). Se realizó cada experimento por duplicado más el análisis del punto central, obteniendo 17 corridas (con distintas variables de operación) para el presente experimento.
Tabla 3: Diseño experimental: factores y niveles
Factores Niveles
A. Dosis del coagulante 0.1% P/V (mL)
8 -1
16 0
24 1
B. Velocidad de agitación (RPM)
50 -1
100 0
150 1
C. Tiempo de agitación (min)
15 -1
20 0
25 1
Nota. Elaboración propia
Con los factores y niveles establecidos en la tabla anterior y con apoyo del programa Minitab 19, se obtuvo el diseño experimental para realizar las pruebas de laboratorio.
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Tabla 4: Valores del diseño experimental generado por Minitab 19.
Orden Corrida
Pt
Central Bloque Factores codificados Factores decodificados
Do Vag Tag Do Vag Tag
1 1 1 1 1 1 24 150 25
2 1 1 -1 -1 1 8 50 25
3 1 1 -1 1 -1 8 150 15
4 1 1 1 1 -1 24 150 15
5 1 1 -1 1 1 8 150 25
6 1 1 1 -1 1 24 50 25
7 1 1 1 -1 1 24 50 25
8 1 1 -1 1 1 8 150 25
9 0 1 0 0 0 16 100 20
10 1 1 -1 -1 1 8 50 25
11 1 1 -1 -1 -1 8 50 15
12 1 1 1 1 -1 24 150 15
13 1 1 -1 -1 -1 8 50 15
14 1 1 -1 1 -1 8 150 15
15 1 1 1 -1 -1 24 50 15
16 1 1 1 1 1 24 150 25
17 1 1 1 -1 -1 24 50 15
Nota. Elaboración propia
El número de pruebas experimentales se determinó de la siguiente manera:
➢ Factores: 3
➢ Niveles: 2
➢ Replicas: 2
➢ Número de pruebas experimentales: 2*2k +1= 17
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2.2.4. Procedimiento experimental:
Figura 12: Diagrama de bloques del procedimiento experimental (Elaboración Propia)
➢ Preparación de soluciones químicas:
Se preparó las siguientes soluciones químicas: FeCl3 al 0,1% P/V, Ca (OH)2 al 20%, H2SO4 1 N.
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➢ Prueba de jarras:
El procedimiento que se realizó para las pruebas experimentales es el siguiente:
- Debajo de cada una de las paletas de agitación de la prueba de jarras, se colocó un vaso de precipitación de 1 L.
- Se midió 1 L de muestra de agua ácida de río con una probeta graduada y se colocó en cada vaso de precipitación.
- Se situó las paletas de agitación dentro de los vasos de precipitación, se encendió el banco de agitación por 1 min a 120 RPM, se adicionó Ca(OH)2
para aumentar el pH de la disolución y lograr un pH =8,5.
- Se añadió la cantidad de coagulante en mL (FeCl3 0,1% P/V) a cada vaso de precipitación de acuerdo con la Tabla 4.
- Se agitó energéticamente a 200 RPM por 1 minuto.
- Se reguló la velocidad de agitación y monitoreó el tiempo de agitación de acuerdo con los parámetros de operación establecidos en la Tabla 4.
- Se dejó en reposo la muestra para permitir que los coágulos sedimenten durante 20 min, por consiguiente, se procedió a filtrar el sobrenadante por medio de un papel filtro y el equipo al vacío.
- Se recolectó 120 mL del agua clarificada de cada muestra y colocarlo en un recipiente para determinar la cantidad de hierro y arsénico.
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III: RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Al realizar la parte experimental, se requirió elevar el pH de las muestras en un rango entre 8 -9 con apoyo de la solución Ca(OH)2 al 20% y de esta manera llegar a las condiciones adecuadas. La exigencia de alcanzar este rango de pH en el proceso es debido a que los arsenatos se adsorben o co-precipitan sobre hidróxidos de hierro involucrando reacciones superficiales altamente específicas, asimismo, la mejor adsorción de As sobre Fe(OH)3 tiene lugar entre un pH de 8 y 9.
En el presente estudio se evaluó la interacción de las variables independientes (factores del proceso): dosis de coagulante (Do), velocidad de agitación (Vag) y tiempo de agitación (Tag) sobre la remoción de hierro y arsénico en programa estadístico Minitab 19.
Para el modelo factorial de 3 variables, se consideran como efectos principales del primer nivel: Do, Vag y Tag; para las interacciones del segundo nivel se obtiene: Do*Vag, Do*Tag y Vag*Tag y la interacción para el tercer nivel: Do*Vag*Tag. Siendo afectados por los cambios de nivel -1 al nivel +1.
En la Tabla A3 (ver Anexo I), se detallan los resultados de las concentraciones finales (mg/L) de Hierro y Arsénico al finalizar el proceso de coagulación de la experimentación.
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3.1. Evaluación de los resultados obtenidos de las muestras ante las variables independientes del proceso
En la presente tesis se evaluó el porcentaje de remoción de los metales pesados (Fe y As) de los resultados obtenidos, cuyos valores se encontraban fuera del rango establecido en la Categoría 1 – A1 de los Estándares de Calidad de Agua (DS-004-2017 – MINAM).
Las remociones de Fe y As se determinaron a través de la comparación con los valores iniciales (ver Tabla A4 en Anexo I), los porcentajes de remoción conseguidos reflejan que los valores de concentraciones finales de cada muestra se hallan dentro de los límites establecidos, por lo tanto, cumplen con lo establecido en los ECA, Categoría 1 – A1 del DS- 004-2017 del MINAM
3.2. Análisis del diseño factorial para el hierro
De la Tabla A5 (ver Anexo I), se obtiene como valor de P (P valor) < 0,05, por lo tanto, indica que las variables serán significativas: Do, interrelación Do*Vag y la interrelación de Do*Vag*Tag sobre la eliminación del hierro en la muestra de agua ácida del Río Negro.
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Figura 13: Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el hierro Fuente: Elaboración propia
La evaluación del diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el hierro en el software Minitab 19 (Figura 13) refleja la magnitud de los efectos ocasionados por las variables independientes (Do, Vag y Tag) y su interacción. Nos indica que el Alpha = 0,05, por esta razón, todos los valores obtenidos mayores a la línea de referencia ubicada en 2,306 (T>2,306) son significativos. Además, se evidencia que las magnitudes del factor Do y las interacciones Do*Vag y Do*Vag*Tag se encuentran sobrepasando la línea de referencia (línea roja) hacia la derecha, lo cual revela que son significativos para el proceso cuando se tiene como finalidad la remoción del hierro con el Alpha = 0,05; asimismo se verifica en la Tabla A5 (ver Anexo I).
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Figura 14: Gráfica normal de los efectos estandarizados para el hierro Fuente: Elaboración propia
La gráfica normal o de probabilidad de los efectos estandarizados facilita el análisis de la magnitud, dirección y la importancia de los efectos, a través de la hipótesis nula en donde los factores no representan ningún efecto y cualquier cambio es provocado por error aleatorio, representándose por los efectos estandarizados en relación con una línea de ajuste de distribución. Para este tipo de gráficas, mientras los efectos se encuentren más lejos de 0 indica que son significativos. Por consiguiente, el análisis de la Figura 13 manifiesta que los efectos: Do, Do*Vag y Do*Vag*Tag son significativos con un Alpha = 0,05, de esta manera refuerza los resultados analizados en el Diagrama de Pareto (Figura 13).
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Figura 15: Gráfica de efectos principales para el hierro.
Fuente: Elaboración propia
En la Figura 15, se deduce que el mejor resultado para remoción de hierro se presenta cuando la dosis del FeCl3 (Do) es mayor y no se muestra variaciones significativas en tiempo y velocidad de agitación.
De la Tabla A5 (ver Anexo I), gráfica de Pareto de efectos estandarizados (Figura 13), gráfica normal o de probabilidad de efectos estandarizados (Figura 14) y gráfica de efectos principales (Figura 15), se infiere que la variable independiente con mayor relevancia es la dosis de FeCl3 (Do) para la remoción de hierro en el proceso de coagulación, en consecuencia, el porcentaje de remoción de hierro variará proporcionalmente con respecto a Do.
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Figura 16: Gráfica de interacción para el hierro Fuente: Elaboración propia
El análisis de la gráfica de interacción se basa en la comparación de pendientes de cada cuadro, si las pendientes relacionadas son paralelas indica que la interacción no es significativa, sin embargo, cuando las pendientes se encuentran opuestas, demuestran que son significativas. La Figura 16 manifiesta que las interacciones: Do*Vag, Do*Tag y Vag*Tag son estadísticamente significativas, no se encuentran líneas paralelas, en consecuencia, se evidencia que el porcentaje de remoción es mayor: cuando la dosis de FeCl3
(Do) es superior en corto tiempo de agitación (Tag) y cuando la velocidad de agitación (Vag) así como el tiempo de agitación (Tag) son menores.
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La interacción más sobresaliente de la gráfica de interacción para el hierro (Figura 16) es Do*Vag debido a que presentan el mayor porcentaje de remoción de hierro, de tal modo que sería recomendable realizar el proceso de coagulación a Do=24 mL/L y Vag= 50 RPM.
Figura 17: Gráfica de cubos para el hierro Fuente: Elaboración propia
La gráfica de cubos nos permite visualizar el resultado de todas las interacciones presentes en el experimento, en la Figura 17 se muestra que el valor más alto es 99,2830, ubicándose en Tag = 15 min, añadiendo lo obtenido en la gráfica de interacciones (Figura 16): Do=24 mL/L y Vag= 50 RPM, lo cual también se confirma en la presente gráfica en virtud de que se logró el mayor porcentaje de remoción de hierro.
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De las tablas A2 y A8 (ver Anexo I) se establece que el porcentaje de remoción de hierro debe ser mayor al 90 % para cumplir con lo establecido en ECA, Categoría 1 – A1 del DS-004-2017 del MINAM y en la gráfica de cubo para hierro (Figura 17) demuestra que todas las variables cumplen con el requerimiento.
La evaluación realizada de la remoción de hierro a través del proceso de coagulación con cloruro férrico corrobora que este coagulante tiene una alta efectividad dado a que independientemente de los valores de las variables del proceso del presente estudio, los resultados obtenidos cumplen con ECA, Categoría 1 – A1 del DS-004-2017 del MINAM, siendo la Do, la variable con mayor influencia en el proceso.
3.3. Análisis del diseño factorial para el arsénico
De la Tabla A6 (ver Anexo I), se obtiene como valor de P (P valor) < 0,05, por lo tanto, indica que las variables serán significativas: Do, interrelación Do*Vag y la interrelación de Do*Vag*Tag sobre la eliminación del arsénico en la muestra de agua ácida del río Negro.
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Figura 18: Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el arsénico Fuente: Elaboración propia
La evaluación del diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el arsénico en el software Minitab 19 (Figura 18) refleja la magnitud de los efectos ocasionados por las variables independientes (Do, Vag y Tag) y su interacción. Nos indica que el Alpha = 0,05, por esta razón, todos los valores obtenidos mayores a la línea de referencia ubicada en 2,306 (T>2,306) son significativos. Además, se evidencia que las magnitudes del factor Do y las interacciones Do*Vag y Do*Vag*Tag se encuentran sobrepasando la línea de referencia (línea roja) hacia la derecha, lo cual revela que son significativos para el proceso cuando se
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tiene como finalidad la remoción del arsénico con el Alpha = 0,05; asimismo se verifica en la Tabla A6 (ver Anexo I).
Figura 19: Gráfica normal de los efectos estandarizados para el arsénico Fuente: Elaboración propia
La gráfica normal o de probabilidad de los efectos estandarizados facilita el análisis de la magnitud, dirección y la importancia de los efectos, a través de la hipótesis nula en donde los factores no representan ningún efecto y cualquier cambio es provocado por error aleatorio, representándose por los efectos estandarizados en relación con una línea de ajuste de distribución. Para este tipo de gráficas, mientras los efectos se encuentren más lejos de 0 indica que son significativos. Por consiguiente, el análisis de la Figura 19 manifiesta que los
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efectos: Do, Do*Vag y Do*Vag*Tag son significativos con un Alpha = 0,05, de esta manera refuerza los resultados analizados en el Diagrama de Pareto (Figura 17).
Figura 20: Gráfica de efectos principales para el arsénico Fuente: Elaboración propia
En la Figura 20, se deduce que el mejor resultado para remoción de arsénico se presenta cuando la dosis del FeCl3 (Do) es mayor y no se muestra variaciones significativas en tiempo y velocidad de agitación.
De la Tabla A6 (ver Anexo I), gráfica de Pareto de efectos estandarizados (Figura 18), gráfica normal o de probabilidad de efectos estandarizados (Figura 19) y gráfica de efectos principales (Figura 20), se infiere que la variable independiente con mayor relevancia es la
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dosis de FeCl3 (Do) para la remoción de arsénico en el proceso de coagulación, en consecuencia, el porcentaje de remoción de arsénico variará proporcionalmente con respecto a Do.
Figura 21: Gráfica de interacción para el arsénico Fuente: Elaboración propia
El análisis de la gráfica de interacción se basa en la comparación de pendientes de cada cuadro, si las pendientes relacionadas son paralelas indica que la interacción no es significativa, sin embargo, cuando las pendientes se encuentran opuestas, demuestran que son significativas. La Figura 21 manifiesta que las interacciones: Do*Vag, Do*Tag y Vag*Tag son estadísticamente significativas, no se encuentran líneas paralelas, en consecuencia, se evidencia que el porcentaje de remoción es mayor: cuando la dosis de FeCl
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(Do) es superior en corto tiempo de agitación (Tag) y cuando la velocidad de agitación (Vag) así como el tiempo de agitación (Tag) son menores.
La interacción más sobresaliente de la Gráfica de Interacción para el arsénico (Figura 21) es Do*Vag debido a que presentan el mayor porcentaje de remoción de arsénico, de tal modo que sería recomendable realizar el proceso de coagulación a Do=24 mL/L y Vag= 50 RPM.
Figura 22: Gráfica de cubos para el arsénico Fuente: Elaboración propia
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La gráfica de cubos nos permite visualizar el resultado de todas las interacciones presentes en el experimento, en la Figura 21 se muestra que el valor más alto es 96,1430, ubicándose en Tag = 15 min, añadiendo lo obtenido en la gráfica de interacciones (Figura 21): Do=24 mL/L y Vag= 50 RPM, lo cual también se confirma en la presente gráfica en virtud de que se logró el mayor porcentaje de remoción de arsénico.
De las tablas A2 y A8 (ver Anexo I), se establece que el porcentaje de remoción de arsénico debe ser mayor al 90 % para cumplir con lo establecido en ECA, Categoría 1 – A1 del DS-004-2017 del MINAM y en la Gráfica de cubo para arsénico (Figura 22) demuestra que todas las variables cumplen con el requerimiento.
La evaluación realizada de la remoción de arsénico a través del proceso de coagulación con cloruro férrico corrobora que este coagulante tiene una alta efectividad dado a que independientemente de los valores de las variables del proceso del presente estudio, los resultados obtenidos cumplen con ECA, Categoría 1 – A1 del DS-004-2017 del MINAM, siendo la Do, la variable con mayor influencia en el proceso.
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IV: CONCLUSIONES
• La dosis de FeCl3 como coagulante se relaciona con la eficiencia de remoción de metales pesados (Fe y As) de manera directamente proporcional, pues al añadir mayor cantidad de cloruro férrico, el porcentaje de remoción de metales aumenta.
• El tiempo de agitación se asocia de forma inversamente proporcional con la eficiencia de remoción de metales pesados (Fe y As), debido a que un exceso de esta variable favorece el rompimiento de los coágulos e inestabiliza las partículas coloidales.
• La velocidad de agitación impacta de manera inversamente proporcional con la eficiencia de remoción de metales pesados (Fe y As), además es un factor con gran influencia en el proceso de tratamiento de agua ácida, puesto que, al incrementar la velocidad, los coágulos descomponen su estructura al chocar entre sí y retrasando el tiempo de sedimentación, por lo tanto, se recomienda trabajar a velocidades mínimas.
• El tratamiento de agua ácida del río Negro con cloruro férrico logró obtener una remoción del 96% en turbidez.
• Los parámetros óptimos de tratamiento determinados para lograr la mayor remoción de metales pesados (Fe y As) de la muestra de agua ácida del río Negro fueron: dosis de coagulante FeCl3 (0,1 % p/v) de 24 mL/L, velocidad de agitación de 50 RPM y tiempo de agitación de 15 minutos, los cuales permiten cumplir con la Categoría 1 – A1 de los Estándares de Calidad de Agua del DS-004-2017 – MINAM, asimismo, con una posterior desinfección podrá ser apta para el consumo humano.
BIBLIOTECA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
V: RECOMENDACIONES
Considerar trabajar con un pH promedio de 8,5, para ello agregar lentamente lechada de cal e ir agitando para homogenizar la solución, además, utilizar un pHmetro digital para mayor exactitud y precisión en la lectura de los valores de pH.
Evaluar la viabilidad del tratamiento de agua ácida del Río Negro para remoción de metales pesados (Fe y As) utilizando el cloruro férrico como coagulante a escala industrial, empleando las condiciones óptimas halladas en esta investigación, para adquisión de una planta de tratamiento de agua ácida en la zona alta del distrito de Olleros, de este modo solucionar el problema de consumo de agua ácida de la población de aquel lugar.
Utilizar cloruro férrico líquido al 40 % porque es el que se encuentra comercialment e en la industria.
Realizar pruebas de jarras con aguas ácidas de otros ríos para remover sus contaminantes (metales pesados) aplicando el diseño experimental de la presente tesis para para determinar las condiciones óptimas para su remoción.
