Biodegradación de CFC-11 y HCFC-141B por medio de un consorcio de bacterias anaeróbicas extraídas del relleno sanitario Doña Juana

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(1)BIODEGRADACIÓN DE CFC-11 Y HCFC-141B POR MEDIO DE UN CONSORCIO DE BACTERIAS ANAERÓBICAS EXTRAÍDAS DEL RELLENO SANITARIO DOÑA JUANA. ANA MARÍA ARANGO CORREA PAULA JIMENA GUERRA GUTIÉRREZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTA 2004.

(2) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. BIODEGRADACIÓN DE CFC-11 Y HCFC-141B POR MEDIO DE UN CONSORCIO DE BACTERIAS ANAERÓBICAS EXTRAÍDAS DEL RELLENO SANITARIO DOÑA JUANA. ANA MARÍA ARANGO CORREA PAULA JIMENA GUERRA GUTIÉRREZ. Tesis de Pregrado de Ingeniería Química. Asesora: Ingeniera Química Astrid Altamar Consuegra. Coasesor: Miguel W. Quintero. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTA 2004. 2.

(3) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. Nota de Aceptación ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________. ________________________________ Asesor. ________________________________ Coasesor. ________________________________ Jurado. ________________________________ Jurado. Bogotá junio 28 de 2004. 3.

(4) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. AGRADECIMIENTOS Las autoras expresan sus agradecimientos a: Todos los profesores del Departamento de Ingeniería Química que de alguna manera se vieron involucrados en este proyecto, por su constante colaboración y dirección. Américo Ortiz y a todo el personal de Servicios Tecnológicos A.P.G. Ltda, por el tiempo y esfuerzo que le dedicaron a este proyecto. Centro de Investigación de la Facultad de Ingeniería (CIFI) por la confianza depositada en el proyecto y por el apoyo financiero al mismo. La Unidad Técnica de Ozono del Ministerio del Medio Ambiente y Desarrollo Territorial y Al programa de Naciones Unidas para el Desarrollo, por el interés en fomentar la investigación en Colombia. Las ingenieras Carolina Vidal y Adriana Botina de Proactiva S.A por facilitar la información y las instalaciones del Relleno sanitario Doña Juana. Lucía Lozano y al Centro de Investigaciones Microbiológicas (CIMIC) colaboración en el aspecto microbiológico de este proyecto.. por su. Espumlatex por facilitar los compuestos clorofluorocarbonados e hidroclorofluorocarbonados para el proyecto. José María Robles y Josué Ramírez por su dirección y asistencia en el desarrollo del proyecto. Ingenieros Harold Franco y Eunice Herra de Holcim Colombia, por su información en el área de coprocesamiento de residuos en plantas cementeras.. 4.

(5) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. TABLA DE CONTENIDO. pág RESUMEN ..................................................................................................................... 11 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 12 1. OBJETIVOS............................................................................................. 13. 1.1. Objetivo general ....................................................................................... 13. 1.2. Objetivos específicos ................................................................................ 13. 2. ANTECEDENTES ................................................................................... 14. 2.1. Attenuation of Alternative Blowing Agents in Landfills............................ 14. 2.2. Reductive declhorination of CFC’s and HCFC’s under methanogenic. conditions. ................................................................................................................. 14. 2.3. Degradation of Chlorofluorocarbon-113 under anaerobic conditions......... 15. 2.4. Dechlorination of Trichlorofluoromethane CFC-11 by Sulfate Reducing. Bacteria from an Aquifer Contaminated With Halogenated Aliphatic Compound............. 15 3. MARCO TEÓRICO ................................................................................. 16. 3.1. Los CFCs.................................................................................................. 16. 3.1.1. El CFC-11 ............................................................................................... 17. 3.2. Los HCFC’s.............................................................................................. 17. 3.2.1. El HCFC-141b.......................................................................................... 18. 3.3. El ozono ................................................................................................... 19. 3.4. La estratósfera .......................................................................................... 20. 3.5. El efecto invernadero ................................................................................ 23. 3.6. Protocolo de Montreal............................................................................... 23. 3.7. Incineración de compuestos agotadores de la capa de ozono. .................... 25. 5.

(6) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. 3.8. Tipos de Incineradores.............................................................................. 25. 3.8.1. Reactor de cracking .................................................................................. 25. 3.8.2. Incinerador de inyección líquida ............................................................... 26. 3.8.3. Incinerador de oxidación gaseosa.............................................................. 27. 3.8.4. Incinerador de horno rotatorio................................................................... 27. 3.8.5. Hornos cementeros ................................................................................... 28. 4. EXPERIMENTACIÓN............................................................................. 29. 4.1. Materiales y equipos ................................................................................. 29. 4.2. Diseño experimental ................................................................................. 32. 4.3. Toma de Muestras..................................................................................... 32. 4.4. Montaje .................................................................................................... 35. 4.5. Cultivo de microorganismos ..................................................................... 36. 5. ANÁLISIS CROMATOGRAFICOS ........................................................ 39. 5.1. Los análisis y su elaboración..................................................................... 39. 5.2. La calibración del cromatógrafo................................................................ 39. 6. INCINERACIÓN ..................................................................................... 44. 6.1. Costos de incineración. ............................................................................. 45. 6.2. Coprocesamiento de CFC’s y HCFC’s en Colombia ................................. 46. 7. RESULTADOS ........................................................................................ 48. 7.1. Resultados de los análisis cromatográficos................................................ 48. 7.2. Resultados del cultivo de microorganismos............................................... 53. 7.2.1. Cultivo de Microorganismos a partir del lixiviado..................................... 53. 7.2.2. Cultivo de Microorganismos a partir de la mezcla de tierra y lixiviado...... 53. 8. ANÁLISIS DE RESULTADOS................................................................ 57. 8.1. Análisis de la degradación ........................................................................ 57. 8.2. Análisis del cultivo de microorganismos ................................................... 63. 6.

(7) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. 8.3. Comparación con la bibliografía .............................................................. 64. 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................... 68. 10. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................... 70. ANEXO A: ESTUDIO PRELIMINAR ........................................................................... 73 ANEXO B: CALIBRACIÓN DEL CROMATÓGRAFO................................................. 85 ANEXO C: REALIZACIÓN DE LAS PRUEBAS DE TENSIÓN DE GRAM ................ 98 ANEXO D: INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA DE LA DEGRADACIÓN DE LOS COMPUESTOS .............................................................................................................. 99. 7.

(8) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. LISTA DE FIGURAS. pág.. Figura 1. Formula del CFC-11 ......................................................................................... 17 Figura 2. Formula del HCFC-141b................................................................................... 18 Figura 3. Las diferentes Capas de la atmósfera ................................................................. 20 Figura 4. Esquema de interacción cloro, ozono................................................................ 21 Figura 5. Nubes estratósfericas polares............................................................................. 22 Figura 6. Proyecciones que muestran el ozono ................................................................. 22 Figura 7. Diagrama de bloques de un incinerador de quencher sumergido ........................ 27 Figura 8. Botella utilizada en el experimento................................................................... 29 Figura 9. Cromatógrafo Shimadzu GC8A........................................................................ 30 Figura 10. Imagen del puerto de inyección del cromatógrafo........................................... 31 Figura 11. Imagen de la columna HP-Plot Al2O3 “KCl” .................................................. 31 Figura 12. Imagen de la caja de lixiviado en la Zona VIII ................................................ 33 Figura 13. Imagen de las excavaciones realizadas ........................................................... 34 Figura 14. Imagen del proceso del tamizado..................................................................... 35 Figura 15. Imagen de la inyección de la muestra la caja de petri....................................... 38 Figura 16. Planta de cemento en Japón adaptada para incinerar CFC’s ............................. 44 Figura 17. Cultivo de microorganismos a partir de lixiviado en dos medios...................... 53 Figura 18. Cultivo de microorganismos a partir de mezcla tierra lixiviado en agar sangre 54 Figura 19. Cultivo de microorganismos a partir de mezcla tierra lixiviado en agar SPS .... 54 Figura 20. Conteo de colonias en agar SPS ...................................................................... 55 Figura 21. Fotografía microscópica de una bacteria encontrada en el Agar sangre ........... 56 Figura 22. Proceso de declorinación del CFC-11.............................................................. 62 Figura 23. Capas del relleno sanitario Doña Juana............................................................ 75 Figura 24. Estructura típica de un relleno sanitario ........................................................... 75 Figura 25. Descarga de basura en la zona VIII del relleno sanitario Doña Juana. .............. 76 Figura 26. Láminas con el proceso de coloración de Gram. ............................................. 98. 8.

(9) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. LISTA DE TABLAS pág.. Tabla 1. Propiedades físicas y químicas del CFC-11 ........................................................ 17 Tabla 2. Propiedades físicas y químicas del HCFC-141b................................................. 19 Tabla 3. Potenciales de agotamiento de la capa de ozono y de calentamiento global........ 24 Tabla 4. Resultados del stock de CFC-11 ......................................................................... 40 Tabla 5. Resultados del stock de HCFC-141b .................................................................. 41 Tabla 6. Extrapolación de áreas para CFC-11................................................................... 42 Tabla 7. Extrapolación de áreas para HCFC-141b ............................................................ 42 Tabla 8. Flujo y emisiones del incinerador en horno cementero en Japón ......................... 45 Tabla 9. Costo de destrucción de 1Kg de CFC en países desarrollados según el tipo de incinerador ............................................................................................................... 46 Tabla 10. Datos de la concentración relativa de los compuestos en los frascos de blanco y semanales................................................................................................................. 48 Tabla 11. Degradación de los compuestos estudiados en los frascos de Abril 16. ............ 50 Tabla 12. Tabla del área relativa de la mezcla N2-CO2 en los frascos............................... 52 Tabla 13. Descripción de las bacterias observadas al microscopio. .................................. 56 Tabla 14. Prueba de hipótesis para la determinación de la degradación en el HCFC-141b 60 Tabla 15. Pruebas de hipótesis para comparar frasco semanal de CFC-11 con frasco de abril 16 de CFC-11........................................................................................................... 61 Tabla 16. Temperaturas ambientales en el relleno sanitario Doña Juana ........................... 77 Tabla 17. Precipitaciones en el relleno sanitario Doña Juana ........................................... 78 Tabla 18. Cantidad de residuos dispuestos y años de operación de las zonas del relleno sanitario Doña Juana ................................................................................................ 80 Tabla 19. Composición química del lixiviado del relleno sanitario Doña Juana ................ 83 Tabla 20. Datos para la calibración del vapor para los stocks de vapor de CFC-11 con jeringa HP ................................................................................................................ 86 Tabla 21. Datos para la calibración del vapor para los stocks de vapor de HCFC-141b con jeringa HP ................................................................................................................ 86 Tabla 22. Datos de calibración de stocks de vapor de CFC-11 con jeringa Air Tight ........ 88 Tabla 23. Datos de calibración de stocks de vapor de HCFC-141b con jeringa Air Tight.. 89 Tabla 24. Datos de calibración de stocks de líquido para el HCFC-141b con jeringa Air tight.......................................................................................................................... 91 Tabla 25. Datos de calibración de stocks de líquido para el CFC-11 con jeringa Air tight. 91 Tabla 26. Datos de calibración definitiva para CFC-11 vapor con jeringa Air Tight. ........ 93 Tabla 27. Extrapolación de datos para hallar la masa CFC-11 .......................................... 94 Tabla 28. Composición del HCFC-141b “puro” ............................................................... 95 Tabla 29. Datos de calibración definitiva para HCFC-141b vapor con jeringa Air Tight.. 95 Tabla 30. Extrapolación de datos para hallar la masa HCFC-141b.................................... 96. 9.

(10) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. LISTA DE GRÁFICAS pág.. Gráfica 1. Curva de calibración definitiva de CFC-11 vapor con jeringa air tight ............ 40 Gráfica 2. Curva de calibración definitiva de HCFC-141b vapor con jeringa air tight...... 41 Gráfica 3 Curva de calibración definitiva relación Area vs Masa de CFC-11................... 42 Gráfica 4. Curva de calibración definitiva relación Area vs Masa de HCFC-141b ........... 43 Gráfica 5. Degradación de los compuestos estudiados en los frascos semanales ............... 48 Gráfica 6. Comportamiento de los compuestos en los frascos de blanco ........................... 49 Gráfica 7. Degradación de los compuestos en los frascos de Abril 16............................... 50 Gráfica 8. Degradación de CFC-11 en los diferentes frascos. ........................................... 51 Gráfica 9. Degradación de HCFC-141b en los diferentes frascos...................................... 51 Gráfica 10. Gráfica del área relativa de la mezcla N2-CO2 en los frascos. ......................... 52 Gráfica 11. Comportamiento de HCFC-141b omitiendo los datos de las semanas 5 y 6... 60 Gráfica 12. Comparación de comportamiento del CFC-11 puro y en el HCFC-141b ........ 63 Gráfica 13. Resultados obtenidos por Kjeldsen y colaboradores para la degradación anaerobia utilizando tierra de un relleno sanitario danés. .......................................... 65 Gráfica 14. Precipitaciones en el relleno sanitario Doña Juana ......................................... 78 Gráfica 15. Precipitaciones promedio anuales en el relleno sanitario Doña Juana ............. 79 Gráfica 16 Temperatura promedio en el relleno sanitario Doña Juana .............................. 79 Gráfica 17. Temperatura promedio anuales en el relleno sanitario Doña Juana ................. 79 Gráfica 18. Concentración de metano en las zonas vs. el tiempo ...................................... 80 Gráfica 19. Producción de metano en las chimeneas de la zona VIII................................ 81 Gráfica 20. Procentaje de producción de metano en las chimeneas de la zona IV ............ 81 Gráfica 21. Producción de biogas vs. el tiempo ................................................................ 82 Gráfica 22. Curva de calibración de CFC-11 vapor con jeringa HP .................................. 87 Gráfica 23. Curva de calibración HCFC-141b vapor con jeringa HP ................................ 87 Gráfica 24. Curva de calibración de HCFC-141b vapor con jeringa Air Tight .................. 89 Gráfica 25. Curva de calibración de CFC-11 vapor con jeringa Air Tight......................... 89 Gráfica 26. Curva de calibración de stocks de líquido de HCFC-141b con jeringa Air Tight ................................................................................................................................. 92 Gráfica 27. Curva de calibración de stocks de líquido de CFC-11 con jeringa Air Tight .. 92 Gráfica 28. Curva de calibración definitiva para CFC-11 vapor con jeringa Air Tight ...... 93 Gráfica 29. Relación área vs masa para CFC-11............................................................... 94 Gráfica 30.Curva de calibración definitiva para HCFC-141b vapor con jeringa Air Tight 96 Gráfica 31. Relación area vs masa para HCFC-141b ........................................................ 97 Gráfica 32. Respuesta del compuesto desconocido (unidades arbitrarías de área) vs el tiempo ...................................................................................................................... 99 Gráfica 33. Comportamiento del área relativa del compuesto desconocido ......................100 Gráfica 34. Contaminación del HCFC-141b con CFC-11 ................................................101. 10.

(11) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. RESUMEN El objetivo de este proyecto es el de analizar la viabilidad técnica de degradar CFC-11 y HCFC-141b los cuales son empleados como agentes soplantes y son considerados como sustancias agotadoras de la capa de ozono por el protocolo de Montreal. Esta degradación se realiza utilizando como fuente de microorganismos, una mezcla de tierra y lixiviado extraída del relleno sanitario Doña Juana. Esta degradación realiza en pequeñas botellas, donde se ponen en contacto los compuestos con la mezcla de tierra-lixiviado bajo condiciones anaerobias. A partir de estas botellas se realizan análisis cromatográficos que permiten estudiar el potencial de biodegradación de los microorganismos del relleno, al igual que se estiman morfológicamente los tipos de microorganismos presentes en la mezcla. Mediante este trabajo se busca contribuir al desarrollo del área de biotecnología en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes que dirige la ingeniera Astrid Altamar, al igual se quiere integrar las diferentes líneas de investigación mediante la colaboración de los ingenieros Miguel W. Quintero y Felipe Muñoz.. 11.

(12) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. INTRODUCCIÓN Debido al interés mundial en la recuperación de la capa de ozono y en la disminución el efecto invernadero, cada día se llevan a cabo nuevas investigaciones para la determinación de tecnologías que conlleven a la degradación de los causantes de estos efectos. Los compuesto clorofluorcarbonados (CFC’s) y los compuestos hidrocloroflurocarbonados (HCFC’s) son considerados los principales agentes involucrados en el deterioro de la capa de ozono y en el calentamiento del planeta. A pesar que la producción y el consumo de estos agentes agotadores de la capa de ozono han sido regulados desde 1987 por el Protocolo de Montreal, sigue existiendo una inquietud sobre el futuro de estos compuestos una vez sean desechados los equipos que los contienen en sus diferentes formas. Los CFC’s y los HCFC’s se emplean como agentes soplantes en las espumas de polímeros termoestables y como agentes refrigerantes en neveras, aires acondicionados y refrigeradores industriales. A partir del convenio internacional sobre sustancias que deterioran la capa de ozono, los países se han visto comprometidos a investigar nuevas tecnologías que permitan tanto la degradación de estas sustancias como su sustitución por materiales innovadores amigables con el medio ambiente.. 12.

(13) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. 1 1.1. OBJETIVOS. Objetivo general. Estudiar el potencial de un relleno sanitario colombiano para biodegradar dos compuestos agotadores de la capa de ozono (CFC-11, HCFC-141b). 1.2. Objetivos específicos • • • •. Poner en contacto compuestos clorofluorocarbonados e hidroclorofluorocarbonados con una mezcla de tierra y lixiviado extraídos del relleno sanitario Doña Juana. Evaluar la degradación de estos compuestos (CFC-11, HCFC-141b) mediante análisis cromatográficos. Establecer la presencia de microorganismos anaerobios en la mezcla tierralixiviado, y realizar una determinación morfológica de estos. Realizar una revisión bibliográfica sobre la incineración de compuestos clorofluorocarbonados y estimar el costo de la modificación de un horno cementero para este fin.. 13.

(14) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. 2. ANTECEDENTES. En los últimos años se ha incrementado la preocupación mundial por reemplazar y eliminar sustancias agotadoras de la capa de ozono. Sin embargo los estudios realizados hasta el momento no se pueden estandarizar mundialmente, debido a las diferencias ambientales y tecnológicas de cada país. Estos estudios incluyen la degradación biológica de los compuestos, utilizando diferentes fuentes de microorganismos así como la destrucción por incineración. Igualmente se han realizado estudios para determinar las cantidades de estos compuestos en cada uno de los países. 2.1. Attenuation of Alternative Blowing Agents in Landfills. Este estudio fue realizado en la Universidad Técnica de Dinamarca DTU en el Departamento de Recursos y Medio Ambiente por C. Scheutz, A. Fredenslund, P.Kjeldsen en el año 2003. Este proyecto consistió en observar la degradación por métodos biológicos del CFC-11, HCFC-141b,HFC-134 a y el HFC-145fa, poniendo en contacto estos compuestos a diferentes condiciones y fuentes de microorganismos. Los experimentos incluyeron poner en contacto los compuestos puros con basura orgánica de diferentes orígenes mezclada con lodos activados, con tierra de un relleno sanitario en condiciones aeróbicas y anaeróbicas (en una atmósfera de 80%N2 y 20%CO2) y finalmente poner espumas de poliuretano sopladas con estos compuestos en contacto con tierra del relleno sanitario. Se simularon las capas de un relleno sanitario en una columna adaptando las condiciones de producción de biogas, y se obtuvieron muy buenos resultados cuando se trabajaba en condiciones anaeróbicas, ya que en las condiciones aeróbicas no se observó ninguna degradación. Los compuestos que obtuvieron una degradación representativa fueron el CFC-11 y el HCFC-141b. Para los compuestos HFC-135 a y HFC-245fa no se observó una degradación significativa en ninguno de los montajes experimentales. 2.2. Reductive declhorination of CFC’s and HCFC’s under methanogenic conditions. Este estudio se realizó en el Instituto Federal de Tecnología Suizo por los investigadores C.Balsiger, D.Werner, C.Hollinger, P. Höhener en el año 2002. Este proyecto buscó observar la degradación de diferentes compuestos clorofluorocarbonados (CFC-11, CFC-12 y CFC-114) e hidrofluorocarbonados (HCFC-21, HCFC-22, HCFC-142b) poniéndolos en contacto con lodos activados en un biodigestor. Este artículo reseña la conversión del CFC-11 en HCFC-21 y posteriormente en HCFC-31 y del CFC-113 en HCFC-123a. Los resultados obtenidos muestran una rápida degradación. 14.

(15) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. casi total del CFC-11 y se sigue con una degradación más lenta, pero al igual muy efectiva del HCFC-21. el caso del CFC-113 tiene un comportamiento similar. 2.3. Degradation of Chlorofluorocarbon-113 under anaerobic conditions. Este estudio fue desarrollado en el Instituto Nacional de Investigación de Aguas del Canadá por S.Lesage, S.Brown, K.Hosler, publicado en 1992. El estudio buscó analizar la degradación del CFC-113 utilizando como fuente de microorganismos lixiviado de un relleno sanitario bajo condiciones anaerobias y aclimatado a solventes clorados. Igualmente se buscó estudiar el patrón de conversión del CFC-113 en HCFC-123a y a su vez la transformación en clorotrifluoroetano. Los resultados de este estudio muestran una degradación total de CFC-113 al cabo de 25 días, periodo durante el cual había formación de HCFC-123 el cual era degradado de la misma manera que el CFC113. 2.4. Dechlorination of Trichlorofluoromethane CFC-11 by Sulfate Reducing Bacteria from an Aquifer Contaminated With Halogenated Aliphatic Compound. El estudio se realizó en el tepartamento de Biología de la Universidad de Nuevo México por D.Sonier, N,Duran y G.Smith. En este proyecto se estudió la biodegradación de aguas subterráneas contaminadas con CFC-11, igualmente en el agua se encontraban microorganismos capaces de degradar este compuesto. Adicionalmente demostraron que al agregar una mayor cantidad a esta agua se aumentaba la velocidad de degradación al estar las bacterias acostumbradas a la degradación. El estudio plantea la posibilidad de tener tipos de microorganismos responsables de la degradación uno de estos es un bacilo sulfatoreductor sin embargo su acción está limitada al consorcio de bacterias al que pertenecen.. 15.

(16) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. 3. 3.1. MARCO TEÓRICO. Los CFCs. Los clorofluorocarbonos (CFC’s) son compuestos orgánicos halogenados, (clorados y fluorados) muy estables, desarrollados por primera vez en 1928 por las empresas Frigidaire, General Motors y Du Pont. Los CFC´s son altamente volátiles, poco inflamables, insolubles en el agua y no son tóxicos. Estos compuestos fueron desarrollados con la intención de reemplazar el amoniaco (altamente tóxico) en usos como refrigerantes, propulsores de aerosoles, agentes soplantes para espumas, solventes y reactivos intermedios para la síntesis de polímeros fluorinados. Se comercializaron bajo los nombres de Freón, Flurgeno y Frigeno. La nomenclatura de los clorofluorocarbonos consiste de las letras “CFC” seguidas de tres números. El primer dígito indica el número de átomos carbonos menos uno (para derivados del metano el número cero se omite), el segundo es el número de átomos de hidrógeno más uno y finalmente el último es el número de átomos de fluor. El resto de los enlaces son saturados con cloro. Adicionalmente se pueden emplear otras letras que diferencian los isómeros.1 Los cinco más importantes clorofluorocarbonos son CFC-11 (triclorofluorometano CFCl3), CFC-12 (dicloro-difluorometanp - CF2Cl2), CFC-113 (tricloro-trifluoroetano C2F3Cl3), CFC-114 (dicloro-tetrfluoroethano C2F4Cl2), y CFC-115 (cloropentafluoroetano - C2F5Cl). Sin embargo desde finales de los años 70 se realizaron investigaciones que demostraron que estos agentes refrigerantes tienen una alto potencial de degradación del ozono estratosférico, lo que causa un impacto directo sobre el clima. Al igual que tienen una alta capacidad de absorber calor y su larga vida contribuye a aumentar el “Efecto invernadero”, lo que conlleva al calentamiento del planeta. Al comienzo de los años 80 se descubrió un “hueco” en la capa de ozono sobre la Antártica, el cual conlleva a consecuencias graves a niveles de calidad del aire, de los alimentos, a cambios bruscos en el clima del planeta, genera problemas de salud y puede hasta afectar los materiales.. 1. HÖHENER P, WERNER D, BALSIGER C, PASTERIS G. “Worldwilde occurrence and Fate of Clorofluorocarbons in Ground Water.” Critical Reviews of Envioromental science and Tecnology. 33(1):129(2003). 16.

(17) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. 3.1.1 El CFC-11 El CFC-11 o triclorofluorometano fue desarrollado por primera vez por Du Pont principios de los años 30.. a. Figura 1. Formula del CFC-11. A continuación se presentan las propiedades físicas y químicas del triclorofluorometano, estas propiedades fueron extraídas de la página de internet: http://www.refrigerantsupply.com/references/r-11.htm y del articulo “Attenuation of Alternative Blowing Agents in Landfills” escrito por Sheutz, Fredenslund y Kjeldsen en agosto de 2003 Tabla 1. Propiedades físicas y químicas del CFC-11. Nombre Formula Química Aplicaciones Potencial de Agotamiento de la Capa de Ozono (PACO) Potencial de calentamiento Global (PCG) Peso Molecular (Kg/Kgmol) Punto de ebullición a 1.013E5 Pa (°C) Gravedad específica del líquido a 25°C Gravedad específica del vapor a 25°C Presión de vapor a 25°C (MPa) Temperatura Critica (°C) Presión critica (MPa) 3.2. Triclorofluorometano CCl3F Agente refrigerante y agente espumante 1.0 4600 137.37 23.8 1.49 4.74 89 198 4.41. Los HCFC’s. Se conocen también como los CFC’s de primera generación. Se trata de moléculas similares a los CFC’s pero que contienen un átomo de hidrógeno que genera mayor fragilidad en la molécula. Son menos estables que los CFC’s por lo cual se degradan más rápido en la atmósfera, lo que genera que tengan un menor potencial de agotamiento de la capa de ozono estratosférico.. 17.

(18) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. La nomenclatura de los HCFC’s consiste en tomar el numero del compuesto adicionarle 90 y el numero resultante nos da el número de átomos de fluor e hidrogeno que tiene el compuesto. Las unidades indican el número de átomos de fluor, las decenas el número de átomos de hidrógeno, y las centenas el número de átomos de carbono. Para determinar el número de átomos de cloro se realiza una diferencia. Por ejemplo: Para el HCFC-141b 141+90=2 3 1 Por lo cual tenemos un átomo de fluor, tres átomos de hidrógeno y dos átomos de carbono. Conociendo la tetravalencia del carbono sabemos que cada átomo de carbono tiene 3 enlaces con compuestos distintos al carbono, para los dos átomos de carbono e un total de 6 enlaces. Tenemos tres enlaces con hidrógeno y uno con el fluor por lo cual quedan dos enlaces libres los cuales se realizan con dos átomos de cloro. Teniendo finalmente la formula del HCFC-141b como C2H3 F Cl2 3.2.1 El HCFC-141b El HCFC-141 b es el compuesto hidroclorofluorcarbonado más empleado y recomendado por el protocolo de Montreal para reemplazar al CFC-11 en sus diferentes usos. Sin embargo se trata de una sustancia de transición y su consumo y producción también deben ser eliminados en las fechas establecidas por el protocolo. A continuación se presenta un dibujo de la formula de este agente agotador de la capa de ozono. Figura 2. Formula del HCFC-141b. A continuación se presenta una tabla que resume las propiedades químicas y físicas del HCFC-141b estas propiedades fueron extraídas de la página de internet http://www.aje.cc/e_cf_hcfc_141b.htm y del articulo “Attenuation of Alternative Blowing Agents in Landfills” escrito por Sheutz, fredenslund y Kjeldsen en agosto de 2003.. 18.

(19) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. Tabla 2. Propiedades físicas y químicas del HCFC-141b. Nombre Formula Química Aplicaciones Potencial de Agotamiento de la Capa de Ozono (PACO) Potencial de calentamiento Global (PCG) Peso Molecular (Kg/Kgmol) Punto de ebullición a 1.013E5 Pa (°C) Gravedad específica del líquido a 25°C Gravedad específica del vapor a 25°C Presión de vapor a 25°C ( MPa) Temperatura Critica (°C) Presión critica (MPa) Densidad critica (g/cm3) Calor Latente de evaporación (Kj/Kg) Solubilidad en agua a 25°C (% en peso) Calor especifico, del liquido, a 25°C (Kj/(Kg*°C) 3.3. 1,1-Dicloro-1-fluoroetano CH2CCl2F Agente espumante y reemplazo de CFC-11 y CFC-113 0.11 700 116.95 32.05 1.24 4.08 69.085 204.15 4.25 0.43 223.0 0.509 1.16. El ozono. El ozono es una molécula que se encuentra en la atmósfera. Esta formada por tres átomos de oxígeno. El 90% del ozono atmosférico constituye la estratósfera (capa protectora del Globo Terráqueo) la cual se encuentra alrededor de 20 Km de la Tierra. El 10% restante de ozono se encuentra en la baja atmósfera o tropósfera y es el causante de la contaminación fotoquímica2. El ozono se forma en la estratósfera cuando las moléculas de oxígeno se disocian, al haber absorbido luz ultravioleta de longitudes de onda inferiores a 243nm. La degradación del ozono atmosférico se lleva acabo en gran cantidad por reacciones catalizadas como las que se muestran a continuación: Y + O3 Æ YO + O2 O + YO Æ Y + O2 donde Y = OH, NO, Cl, Br. 2. VINCENT G, L’environnement et l’ozone, Centre des Ressources Technologiques pour L’environnement, Juillet-Août 1999.. 19.

(20) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. El catalizador Y se libera una vez ha destruido el ozono y queda activo teniendo la posibilidad de entrar al proceso de degradación nuevamente.3 3.4. La estratósfera. La estratósfera es una zona de la atmósfera situada a 20Km de distancia de la tierra, tiene al rededor de 30 km de espesor. Esta zona tiene presenta el pico más alto de concentración de ozono en la atmósfera, por otra parte la temperatura en la estratósfera aumenta a medida que la distancia entre esta zona y la tierra es mayor. En la figura 3 se presentan los perfiles de temperatura y concentración en las diferentes capas de la atmósfera.. Figura 3. Las diferentes Capas de la atmósfera. Tomado de http://www.scienceclassroom.com/mrsdz/tutorials/atmosgraphonly.htm. La estratósfera es afectada por átomos de cloro y nitrógeno que son liberados tanto por sucesos naturales como las fallas oceánicas o volcanes, como por influencia del hombre como en caso de los clorofluorocarbonos, los hidroclorofluorocarbonos, los bromuros y los alones. Una vez los clofluorocarbonos ascienden a la atmósfera y entran en contacto con los rayos solares, estos liberan los átomos de cloro los cuales destruyen la capa de ozono estratosférica. 3. Tomado de http://www.environment.fgov.be/Root/tasks/atmosphere/ozon/Intro/intro_fr.htm, febrero de 2004.. 20.

(21) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. En la imagen inferior se muestra como los CFC’s son alterados por los rayos ultravioletas, se liberan los átomos de cloro, pero en caso de no estar en contacto con nubes estratosféricas polares estos cloros se adhieren a unas moléculas reservorios que no afectan la capa de ozono. Sin embargo una vez estas moléculas reservorios entran en contacto con las nubes estratosféricas polares (imagen superior) liberan los átomos de cloro llamado “activos” que deterioran la capa de ozono.4 Todos los compuestos agotadores de la capa de ozono son llevados por los vientos y por la rotación de la Tierra hacía el polo sur donde permanecen congelados en forma de moléculas reservorios dentro de las nubes estratósfericas polares durante todo el invierno, sin embargo al llegar la primavera y los primeros meses de verano la radiación solar rompe los enlaces en la moléculas reservorios y deja los átomos de cloro libres para destruir el ozono. A continuación en la figura 4 se muestra la interacción entre los compuestos halogenados con cloro y el ozono estratosférico.. Figura 4. Esquema de interacción cloro, ozono.. http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/Structure-atm/Ozone/OzoneCFCs.htm. 4. Tomado de http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/Structureatm/Ozone/OzoneCFCs.htm, febrero de 2004. 21.

(22) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. En la figura 5 se presenta una foto de las nubes estratósfericas polares:. Figura 5. Nubes estratósfericas polares. Fotografía de las nubes estratosféricas polares tomada el 26 de enero de 2000 en Kiruna, Suecia. Observaciones realizadas desde 1957 desde la Tierra y desde 1978 con la ayuda de satélites confirman que durante las últimas décadas ha incrementado la degeneración de la capa de ozono, y llevan a la conclusión que esta se encuentra en función e la latitud y de la época del año. 5 A continuación se presentan las proyecciones estereográficas polares (en unidades Dobson) tomadas en regiones árticas entre 1971 y 1998 para el mes de marzo, se observa que a medida que pasan los años lo colores de estas proyecciones tienden al azul, lo que muestra una disminución a la cantidad de ozono.. Figura 6. Proyecciones que muestran el ozono. http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/Structure-atm/Ozone/OzoneCFCs.htm 5. Tomado de http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/Structureatm/Ozone/OzoneCFCs.htm, febrero de 2004. 22.

(23) IQ-2004-1-02. 3.5. IQ-2004-1-14. El efecto invernadero. El efecto invernadero el principal causante del calentamiento del planeta y de los cambios climáticos. Este efecto es causado por los rayos solares que al entrar a la atmósfera y llegar a la superficie son reenviados hacia el espacio en forma de radiaciones infrarrojas de gran longitud de onda. El vapor, el dióxido de carbono y otros gases, particularmente los clorofluorocarbonados e hidroclorofluorocarbonados absorben la radiación impidiendo así su paso al espacio. Ya que los rayos solares siguen entrando a la atmósfera, esta eleva su temperatura y se genera el calentamiento global y los cambio climáticos 6 3.6. Protocolo de Montreal. El protocolo de Montreal es considerado como el primer esfuerzo de verdadera cooperación internacional para proteger el medio ambiente. Fue firmado el 16 de septiembre de 1987 en Canadá con el objetivo de determinar y tomar medidas al respecto de la producción y consumo de sustancias agotadoras de la capa de ozono. Este Protocolo fija los parámetros que deben seguir cada parte o país que haya firmado el protocolo con respecto a la producción y consumo de dichos agentes Se entiende como producción “la cantidad de sustancias producidas menos la cantidad de sustancias destruidas mediante técnicas aprobadas por el protocolo menos la cantidad utilizada como materia prima” Se entiende como consumo “la producción más las importaciones menos las exportaciones” Las sustancias agotadoras de la capa de ozono controladas por el protocolo son divididas en tres grupos, las cuales se encuentran definidas en los anexos A, B y C respectivamente. Los compuestos de interés en este estudio pertenecen al: CFC-11 se encuentra en el anexo A grupo 1, y el HCFC-141 pertenece al Anexo C grupo 1. El protocolo de Montreal establece las políticas de consumo y producción de las sustancias agotadoras de ozono, diferenciando las fechas estipuladas para el cumplimiento de dicho acuerdo para países desarrollados y en vía de desarrollo. En el caso de Colombia, El Ministerio de Medio Ambiente mediante la Unidad Técnica de Ozono (UTO) ha venido desarrollando programas en la industria de refrigeración doméstica, la cual se ha comprometido en abandonar el empleo de estos agentes agotadores de la capa de ozono desde 1997 (Resolución 528 del 16 de junio de 1997). 6. http://www.environnement.gouv.fr/actua/cominfos/dosdir/DIRPPR/air/effetdeserre-0799.htm, febrero de 2004. 23.

(24) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. El consumo de sustancias agotadoras de ozono en el país solo representa un 0.45% del consumo mundial lo que nos permite estar considerados dentro del parágrafo 1 del articulo 5 del Protocolo de Montreal el cual explica las situaciones especiales de los países en desarrollo y extiende el cumplimiento de las medidas de control en 10 años. Colombia entró al Protocolo de Montreal en 1997 donde se estableció su línea base de consumo, ya que es importante recalcar que Colombia no produce compuestos clorofluorocarbonados ni hidroclorofluorocarbonados. Al establecer la línea base del consumo se dieron a conocer las fechas estipuladas para minimizar el mismo. Colombia debe disminuir el consumo de compuestos agotadores de la capa de ozono considerados por el Anexo A grupo 1 en un 50% antes del primero de enero de 2005. Hoy en día esta meta ya ha sido al alcanzada. Para el año 2007 Colombia debe haber eliminado el 75% de su línea base de consumo de estos compuestos y para el año 2010 debe haber eliminado su totalidad. Por otra parte en el caso de las sustancias controladas del Anexo C grupo 1, Colombia debe eliminar su consumo a más tardar el primero de enero de 2040. Actualmente Colombia ha eliminado el empleo de CFC-11 para la producción de espuma de poliuretano utilizadas como aislantes en refrigeradores. Este agente fue reemplazado por el HCFC-141b el cual se considera una sustancia en transición.7 La tabla 3 muestra los potenciales de agotamiento de la capa de ozono para el CFC-11 y el HCFC-141b al igual que su vida media en la estratósfera.. Tabla 3. Potenciales de agotamiento de la capa de ozono y de calentamiento global. Nombre. Formula. CFC-11. CFCl3. HCFC-141b. CH3CFCl2. Anexo y Grupo en el Protocolo de Motreal Anexo A Grupo 1 Anexo c Grupo 1. Potencial de Vida Media Agotamiento de Ozono (PAO) 1.0 45 años 0.11. 9.2 años. Protocolo de Montreal. 7. Protocolo de Montreal relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono en su forma y/o enmendada en Londres 1990, Copenhague 1992,Viena 1995,Montreal 1997, Beijing 1999, Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente PNUMA.. 24.

(25) IQ-2004-1-02. 3.7. IQ-2004-1-14. Incineración de compuestos agotadores de la capa de ozono.. La incineración es un proceso de destrucción térmica, empleado para reducir el volumen y o la toxicidad de los desechos orgánicos, exponiéndolos a temperaturas elevadas en ambientes controlados. De esta manera se provoca la destrucción total del material, reduciéndolo a cenizas, a diferencia de otros métodos térmicos donde el material se convierte en un compuesto menos tóxico o peligroso. El equipo de incineración tiene como fin exponer el material a una temperatura muy elevada en un medio turbulento con un tiempo de residencia lo suficientemente largo para que se lleve a cabo la oxidación de la materia orgánica. Para la destrucción de compuestos agotadores de la capa de ozono como los compuestos clorofluorocarbonados e hidroclorofluorocarbonados, el Programa de Naciones Unidas para el medio Ambiente PNUMA, mediante el Protocolo de Montreal, propone diversas tecnologías entre las cuales la incineración juega un papel importante8. El tipo de incinerador adecuado para la destrucción térmica de compuestos clorofluorocarbonados e hidroclorofluorocarbonados depende de la cantidad que se quiera incinerar, de la cercanía del incinerador a la fuente de combustible, de la formación de sustancias reguladas como dioxinas y furanos, PCCD y PCCF (policlorodibenzo-pdioxinas o dibenzo furanos).Por esta razón el Protocolo de Montreal define varios tipos de incineradores permitidos para la destrucción de estos compuestos. 3.8. Tipos de Incineradores. 3.8.1 Reactor de cracking Aunque este proceso difiere de la incineración convencional, el PNUMA lo clasifica dentro de las tecnologías de incineración, ya que utiliza una llama controlada, en un equipo con motor. En este proceso se utiliza hidrógeno y oxigeno como combustible y oxidante para disminuir la generación de un alto flujo de gas, por lo tanto se disminuyen las emisiones de contaminantes a la atmósfera. En el proceso se utiliza un reactor cilíndrico hecho de grafito, con un sistema de enfriamiento por agua que utiliza un quemador de oxigeno e hidrógeno. Los compuestos a incinerar, típicamente CFC’s, HCFC’s y HFC’s se alimentan en la cámara de reacción donde la temperatura se mantiene a 200°C. Los gases se descomponen para formar HF, HCl, H2O, CO2, Cl2. Los productos del cracking son enfriados en un. 8. UNEP, Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer, Report of the Technology and Economic Assessment Panel, Report on the Task Force on Destruction Technologies, Volumen 3B, Abril de 2002,pag 42-50. 25.

(26) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. absorbedor conectado directamente al reactor, donde se purifican los gases ácidos, y se recuperan el ácido fluorhídrico, y clorhídrico, obteniendo ácidos de calidad técnica. El gas de residuo consiste esencialmente de CO2, O2 y vapor de agua. Este proceso es adecuado para el tratamiento de grandes cantidades de compuestos, ya que el costo del hidrogeno como combustible es muy alto, pero muy su capacidad en la incineración es muy eficaz. De igual manera se recomienda que la fuete de hidrógeno se encuentre cerca del equipo ya que su transporte puede aumentar los costos de operación. Por otra parte este equipo es conveniente ya que el cambio brusco de temperatura de los gases del cracking minimiza la formación de PCDD y PCDF. Adicionalmente el uso de la llama de hidrógeno limita la formación de óxidos nitrosos y facilita la recuperación de los ácidos formados. Esta tecnología no es aplicable para la destrucción directa de espumas y de halones. 3.8.2 Incinerador de inyección líquida Este tipo de incinerador consiste en una sola cámara con uno o más quemadores en suspensión, y se genera un fenómeno de turbulencia causado por la salida tangencial de la llama. Estos incineradores, operan a temperaturas de 1350°C obteniendo una buena eficiencia de destrucción y remoción. Una de las principales desventajas para trabajar con compuestos fluorados es la baja tolerancia de los materiales a esta sustancia. Unos de sus principales atractivos son la capacidad de incinerar grandes cantidades de líquido o vapor, y su estructura sin partes móviles. La incineración por inyección líquida es una técnica muy utilizada para destruir sustancias agotadoras de al capa de ozono, sin embargo la emisión de PCDD, y PCDF se encuentran muy cerca del limite permitido por lo cual requieren un diseño muy cuidadoso. Una alternativa para reducir estas emisiones, consiste en realizar una modificación al equipo incorporando rápido enfriamiento de los gases. Este nuevo incinerador es conocido como un incinerador de quencher sumergido. Sin embargo este nuevo equipo es bastante costoso ya que deben ser modificados los materiales de la cámara de residencia y el quencher se debe construir en un material como acero al carbón recubierto con teflón. El incinerador de quencher sumergido, especialmente diseñado para la incineración de compuestos halógenados, consiste en un incinerador de líquidos el cual se acopla a un quencher (o tanque de agua) en el cual se pretenden remover los ácidos que se forman en la etapa de incineración al igual que disminuir la temperatura de los gases de combustión. Luego de esta etapa se pasa a un absorbedor donde se remueven los restos de ácidos débiles y finalmente se entra a una etapa de despojamiento donde se neutralizan los átomos de cloro y flúor libres, con una sal de hidróxido de sodio. Al finalizar el proceso se tiene una corriente de gas al 99% limpia de halógenos y un precipitado de CaCl2 y CaF2. A esta. 26.

(27) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. última corriente se le realiza un proceso de filtración para separar el agua que es recirculada al scrubber de las sales.9. Figura 7. Diagrama de bloques de un incinerador de quencher sumergido agua. Solución de NaOH al 25% aire 99% limpio de hálogenos. Desecho a incinerar. Aire en exceso. Incinerador. GCH. Quencher. Absorbedor. GCS1. GCS2. Scrubber. solución salina. Filtro Precipitado de CaCl2 Precipitado de CaF2. Combustible alternativo. ácidos fuertes HCl, HF. GCH. Gases de combustión calientes. ácidos debiles. GCS1. Gases de combustión saturados de agua. GCS2. Gases de combustión saturados de agua. 3.8.3 Incinerador de oxidación gaseosa Este incinerador consiste en una cámara de combustión para la destrucción de CFC´s y HCFC´s gaseosos. La corriente de gas es calentada utilizada una fuente de gas auxiliar y como el metano. Este equipo opera alrededor de los 1200°C y se requiere de un tiempo de residencia de los compuestos de 2 segundos aproximadamente. En algunas ocasiones se emplea un intercambiador de calor a la salida de los gases calientes para precalentar el aire de combustión. En el caso de la destrucción de CFC´s su costo oscila entre los US$3-5 por kilogramo de CFC incinerado. Este proceso es adecuado ya que tiene una eficiencia de destrucción y remoción que excede el 99.9% y presenta emisiones tóxicas muy bajas a causa de las altas temperaturas y de un buen proceso de mezclado. Sin embargo este tipo de incineradores no se encuentran en lugares accesibles para su utilización. 3.8.4 Incinerador de horno rotatorio Los hornos rotatorios constan de una coraza refactaria cilíndrica ligeramente inclinada y son capaces de tratar tanto residuos líquidos como sólidos. La rotación de la coraza permite un excelente mezclado dentro del horno en cuanto su inclinación ayuda a la salida de las cenizas y materia fundida. La mayoría de los hornos rotatorios están equipados con un 9. OLAVO LEITE “ Destroy Chlorofluorocarbons Compounds with Submerged Quench Inineration,” CEP Magazine en Julio de 2003.. 27.

(28) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. quemador secundario que asegura la destrucción completa de los gases de exhosto. Los materiales líquidos como los CFC´s pueden ser alimentados al horno o al quemador secundario. La principal desventaja que ofrecen estos hornos son sus altos costos de construcción y mantenimiento.10 3.8.5 Hornos cementeros Los hornos cementero consisten principalmente en un cilindro rotatorio revestidos con ladrillos resistentes al calor. Los compuestos a incinerar son alimentados en la parte superior del horno y descienden lentamente, a causa de la rotación del mismo, hacia el fondo caliente que se encuentra alrededor de 1500°C. Los hornos cementeros operan en contracorriente, es decir que los gases de combustión caliente ascienden encontrándose con la materia prima que fluye en dirección opuesta. Una vez los gases superan la materia prima y abandonan el horno por la parte superior donde pasa por un control de contaminación antes de llegar a la atmósfera. Es importante recalcar que no todos los hornos cementeros se pueden adecuar para la destrucción de las sustancias agotadoras de la capa de ozono como los CFC´s y los HCFC´s ya que depende de la formulación alcalina del material procesado en el horno. De lo contrario se producen altos volúmenes de gases ácidos en el caso de la destrucción de CFC´s. El principal inconvenient que presenta incinerar compuestos clorados y fluorados es el impacto que pueden tener en la calidad y composición final del cemento , por este motivo se establecen unos límites teóricos de fluor y cloro que pueden entrar al horno durante la producción del cemento. Estos limites son: 0.25% de fluoro en la alimentación y 0.015% de cloro. La principal ventaja de esta técnica de incineración es la gran cantidad de estos hornos a nivel mundial, especialmente en los países en desarrollo. Su principal desventaja es que se requiere un costo adicional para modificar los hornos y para el monitoreo de las emisiones peligrosas.. 10. CANTOX Environmental Recuperado en Junio de 2004 de la página Web: http://www.uneptie.org/ozonaction/library/training/destr7.pdf. 28.

(29) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. 4. EXPERIMENTACIÓN. Este proyecto consiste en evaluar la biodegradabilidad de dos compuestos agotadores de ozono (CFC-11 y HCFC-141b), para lo cual se pondrán en contacto con un consorcio de bacterias obtenido del Relleno Sanitario Doña Juana, en un ambiente anaeróbico. Las bacterias deben tener dos características: primero deben encontrarse en un ambiente metanógeno donde se registre una muy alta producción de metano, y en un segundo caso se requiere que estas bacterias hayan estado en contacto con compuestos clofluorocarbonados o hidrocluorofluorocarbonados. Basándose en el estudio preliminar sobre la producción de metano del Relleno Sanitario Doña Juana, al igual que sobre la antigüedad de las diferentes zonas se pudieron determinar los parámetros para la escogencia del lugar y de la zona donde se extraerían las muestras. Se toma tierra de una zona antigua (alrededor de 6 años) y relativamente asegurando la actividad metanogénica. 4.1. lixiviado de una zona. Materiales y equipos. El montaje del experimento se realizó en botellas de vidrio de 100ml, con fondo plano, septums de teflón y metilbutadieno marca Agilent y agrafes de aluminio.. Figura 8. Botella utilizada en el experimento. 29.

(30) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. La atmósfera anaerobia se logra con una mezcla de gases 80% nitrógeno y 20% de dióxido de carbono, esta atmósfera se almacena en una pipeta de 1m3, la cual contiene un regulador de presión de alta baja, y un flujómetro de escala de 1L/min a 10L/min. El triclorofluorometano CFC-11 fue donado por ESPUMLATEX, en un recipiente de un litro. El HCFC-141b se encontraba en las instalaciones del CITEC sin embargo también fue donado por ESPUMLATEX. La determinación de las concentraciones del CFC-11 y del HCFC-141b se realizó en el laboratorio Servicios Industriales APG Ltda.. Para estos análisis se empleó un cromatógrafo de gases con detector de captura de electrones marca Shimadzu referencia GC8A, cuyo gas de arrastre es el nitrógeno. Las figuras 9 y 10 muestran el tipo de cromatógrafo y su inyector. Figura 9. Cromatógrafo Shimadzu GC8A. Cortesía Laboratorio Servicios industriales A.P.G Ltda.. 30.

(31) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. Figura 10. Imagen del puerto de inyección del cromatógrafo. Cortesía Laboratorio Servicios industriales A.P.G Ltda.. La columna empleada para la determinación de las concentraciones de estos hidrocarburos halogenados es la HP-Plot Al2O3 “KCl” con diámetro interno de 0.53mm, longitud de 50m y espesor de película de 15µm. Esta columna está diseñada para ser empleada en aplicaciones con hidrocarburos halogenados de C1 a C6. A continuación se presenta una foto que muestra el tipo de columna empleado. Figura 11. Imagen de la columna HP-Plot Al2O3 “KCl”. Cortesía Laboratorio Servicios industriales A.P.G Ltda.. El detector de captura de electrones es un detector empleado en cromatografía de gases que tiene una alta selectividad para pequeñas cantidades de compuestos polihalogenados o que. 31.

(32) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. presenten átomos muy electronegativos. Este detector contiene una fuente radioactiva usualmente del isótopo de níquel 63, la cual libera partículas B que colisionan con las moléculas del gas de arrastre liberando electrones en la corriente. Estos electrones se unen a las moléculas de muestra formando compuestos de carga negativa. Los electrones en exceso que permanecen libres son atraídos hacia un ánodo donde se genera un voltaje, la diferencia entre el voltaje total de electrones liberados y de los electrones que permanecen libres después de haber introducido el compuesto corresponde a la cantidad de compuesto en la muestra de gases. 4.2. Diseño experimental. Inicialmente se planteó un diseño de experimentos factorial teniendo dos variables, el tipo de compuesto y la fuente de los microorganismos. Es decir que se pensó en montar un experimento en el lixiviado y el otro en la tierra. Sin embargo por razones económicas y de tiempo se decidió variar únicamente el tipo de compuesto y mezclar las fuentes de microorganismo. Es decir que se mezcla el lixiviado con la tierra para tener una sola fuente de microorganismos y se varia el compuesto CFC-11, HCFC-141b. Según la ecuación que se muestra a continuación, se deben realizar seis montajes, ya que son dos variables por duplicado más dos blancos. No. experimentos= 2 x 21 + 2 = 6 La realización de estos seis montajes fue muy discutida ya que se pensó en los posibles errores que se podían realizar por el montaje. Dentro de estos errores se contempló que el experimento debía durar al rededor de 7 a 8 semanas y que cada una de estas se debía hacer una análisis cromatográfico de los gases dentro de las botellas lo que implicaba que cada semana se perforaría el septum. Se pensó que muy posiblemente al cabo de 2 o más semanas el compuesto almacenado podía perderse por la perforación de la septa ya que se trataba de compuestos muy volátiles. Por esta razón se llegó a la conclusión que la mejor manera de llevar a cabo el montaje era realizando muestras desechables es decir que una vez fueran perforadas para la cromatografía fueran desechadas. Se calculó entonces que se requerían de cuatro botellas con la mezcla más dos de blanco que se analizarían semanalmente. Por esta razón el día del montaje del experimento se montarían 24 botellas más 2 blancos y a medida que pasan las semanas se van desechando 4 botellas por semana. 4.3. Toma de Muestras. La toma de muestras se realizó en el Relleno Sanitario Doña Juana. El lixiviado fue recolectado de la caja de salida del mismo que se encontraba en la Zona VIII, Terraza 1, esta Terraza tiene aproximadamente 1 año de antigüedad, lo que nos permitía asegurar una. 32.

(33) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. buena actividad metanogénica. Para más información sobre las características del Relleno Sanitario Doña Juana se puede consultar el Anexo A: Estudios Preliminares La toma de estas muestras se realizó con la ayuda de un operario de Proactiva S.A, empresa encargada de la administración del relleno sanitario Doña Juana, el operario poseía la protección adecuada que incluía máscara para protegerlo de los fuertes olores de metano y guantes de nitrilo muy gruesos para proteger la piel del lixiviado. El lixiviado recolectado fue almacenado en frascos color ámbar previamente autoclavados, los cuales fueron colocados en bolsas para poder ser transportados. La figura 12lustra las fotos tomadas en el relleno Doña Juana el jueves 13 de febrero de 2004 que muestran el proceso de recolección de los lixiviados, los frascos descritos previamente, así como la protección que llevaba el operario.. Figura 12. Imagen de la caja de lixiviado en la Zona VIII. Relleno Sanitario Doña Juana. 33.

(34) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. En el caso de la toma de muestras de tierra, se escogió la Zona IV terraza I la cual fue sellada hace 6 años, cumpliendo así con los requerimientos deseados. Con la ayuda de los ingenieros de Doña Juana se determinó el lugar apropiado para la toma de muestras en la terraza 1 de esta Zona. Se conocía que el espesor del sello de arcilla cerca de la vía de acceso a la zona no era mayor a 1 m permitiendo hacer una excavación menos profunda y más rápida. Para el muestreo se eligió una grilla de cuatro puntos separados por 3m entre sí. Se realizaron de esta manera 4 excavaciones de alrededor de 1.5 m de profundidad hasta llegar a los desechos sólidos, los cuales consistían principalmente de material descompuesto (humus), plástico, vidrio, y otros objetos no biodegradables. A continuación se presenta la foto de una de las excavaciones realizadas y la toma de muestras de la misma.. Figura 13. Imagen de las excavaciones realizadas. Relleno Sanitario Doña Juana. El material recolectado fue cernido en una malla con diámetro de partícula de aproximadamente 2mm, con el fin de eliminar los gruesos (plástico, vidrio, y madera). Los finos cernidos fueron almacenados en bolsas resellables tratando de eliminar la mayor cantidad de aire encerrado en la bolsa, para impedir un mayor contacto de la muestra con el oxígeno durante su transporte al laboratorio. La figura 14 muestra la realización del proceso de tamizado de las muestras:. 34.

(35) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. Figura 14. Imagen del proceso del tamizado. Relleno Sanitario Doña Juana 4.4. Montaje. El primer paso de la realización del montaje consiste en establecer la cantidad de materia orgánica extraída del relleno con la que se desea trabajar. Basados en la literatura se utilizaron 16 g de materia orgánica para cada botella de 100 ml,11 es decir 448 g de materia orgánica para toda la experimentación. Por otra parte se determinó que se realizaría una mezcla 60% tierra, 40% lixiviado como total de la materia orgánica a emplear. En la campana de extracción del laboratorio de Ingeniería Química del CITEC se realizó la mezcla en peso 60% tierra, 40% lixiviado en un platón de plástico, utilizando una pala plástica. Se tomaron todas las medidas de seguridad, llevando la balanza dentro de la campana, utilizando guantes de latex y encima guantes de nitrilo, empleando tapa bocas y gafas de seguridad. Dentro de la campana de extracción se llenaron 28 botellas con la mezcla de tierra lixiviado. A cada una de las botellas se les adicionó 16g de mezcla. Una vez llenas se sellaron con las septas de teflón y las grafas de aluminio empleando una pinza especial para esto. Se tomaron adicionalmente 14 botellas vacías y se sellaron de la misma manera. A la totalidad de las botellas se les realizó un cambio de atmósfera de aerobia a anaerobia, introduciéndoles una mezcla de dióxido de carbono y nitrógeno y desplazando el aire que se encontraba en cada una de ellas. Para introducir los gases se utilizó el principio de 11. SHEUTZ.C, FREDENSLUD.A, KJELSEN.P, “Attenuation of Alternative blowing Agents in Landfills”, Environment & Resources DTU, Technical University of Denmark, August 2003.. 35.

(36) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. densidad: en el cual la mezcla de 80% N2 y 20% CO2 es más densa que el aire por lo cual al entrar a los balones desplaza el aire. Por medio de una manguera de latex acoplada por un extremo al flujómetro de la pipeta de gas y por le otro a una aguja de insulina para vacas, se introdujo la mezcla de los gases a los balones y utilizando otra aguja acoplada a una pequeña manguera la cual se encuentra dentro de un beaker con agua se expulsó el aire. El procedimiento se realizó con la segunda manguera sumergida en el agua para poder constatar la salida del aire de la botella mediante el burbujeo. El flujómetro se reguló a 1 L/min de tal manera que no fuera peligroso la entrada del gas a alta presión a los balones. Es importante recalcar que este procedimiento se realizó durante 10 segundos, y en ese momento se retiró la aguja unida al flujometro y se espero que el burbujeo dentro del beaker cesara para retirar la segunda aguja. La determinación de la cantidad de compuestos CFC-11 y HCFC.141b a degradar se estimó mediante la calibración del cromatógrafo y el estudio de la respuesta del mismo a estos compuestos. Por esta razón la adición de estos compuestos a las diferentes botellas no se realizó hasta no tener determinada la curva de calibración y la cantidad de compuesto necesario. 4.5. Cultivo de microorganismos. Para la comprobación de la existencia de microorganismos en el material recolectado en el Relleno Sanitario Doña Juana, se realizó un cultivo a partir del lixiviado en dos medios de cultivos, el primero general (agar sangre) y el segundo selectivo (SPS). El medio general es una base de agar sangre rica en proteínas lo que facilita el crecimiento de microorganismos anaerobios difíciles de cultivar. El medio selectivo es un agar a base de sulfito de sodio, el cual reacciona con los microorganismos para formar sulfuro que a su vez reacciona con el citrato de hierro formando puntos negros. Con este último medio se busca determinar la presencia de bacterias sulfitoreductoras. El cultivo se realizó para el lixiviado recolectado el 30 de marzo en la toma general de muestras y días después se realizó un cultivo para la mezcla de tierra y lixiviado extraída de uno de los frascos analizados en mayo18. El procedimiento experimental para la realización de estos dos cultivos fue idéntico y se explica a continuación. • • •. Preparar el medio de cultivo según las instrucciones especificadas para el mismo y disolverlo en un recipiente con agua destilada , llevándolo a ebullición Preparar 10 tubos de ensayo, colocando en cada uno de ellos 4.5ml de agua destilada. Tapar los tubos de ensayo. Colocar 12 puntas de micropipeta de 1000µL en un beaker y tapar este último con papel aluminio.. 36.

(37) IQ-2004-1-02. • • • • •. • • •. IQ-2004-1-14. Colocar el frasco con el medio disuelto, los 10 tubos de ensayo, el beaker con las puntas de la micropipeta y 6 cajas de petri en el autoclave a 121ºC durante 15 minutos. Para el cultivo de la mezcla tierra lixiviado, es necesario hacer una dilución previa de 10g de mezcla en 10ml de agua destilada estéril, agitar en un shaker durante media hora para que las bacterias se desprendan del sólido y pasen a la fase líquida En la campana de esterilización se prende un mechero para evitar la contaminación del material autoclavado. Se vierte el medio de cultivo en las 6 cajas de petri, llenándolas hasta la mitad. Se cierran y se deja solidificar cerca al mechero. Con la micropipeta de 100 a 1000µL se toman 500µL de lixiviado puro o de la solución de agua con mezcla de tierra y lixiviado y se disuelven en uno de los tubos de ensayo con 4.5ml de agua estéril. La concentración de lixiviado o de la solución de la mezcla en este tubo es de 100000ppm. De este tubo se extraen 500µL de solución colocando una nueva punta en la micropipeta y se llevan a un segundo tubo de ensayo el cual contiene 4.5 ml de agua estéril. La concentración de este tubo es de 10000ppm. Este procedimiento se repite hasta tener un último tubo con una concentración de 0.001ppm o 1ppb.´ Tomando una nueva punta de micropipeta se extraen 100µL de solución del tubo con concentración 1ppb y se vierten sobre el medio de cultivo en una de las cajas de petri de cada medio de cultivo. Con la ayuda de un palito de vidrio previamente pasado por el mechero se esparce la solución en la caja realizando movimientos en forma de “S”. A continuación se presenta una foto que ilustra este paso del procedimiento.. 37.

(38) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. Figura 15. Imagen de la inyección de la muestra la caja de petri. • • •. Este procedimiento se repite consecutivamente hasta el tubo de 100ppm. Se colocan las 6 cajas de petri preparadas en la caja de anaerobiosis, rápidamente se introduce un sobre de Anaerogen y se sella debidamente la caja. Esta caja se coloca en la incubadora a 35ºC de 24 a 48 horas.. 38.

(39) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. 5. 5.1. ANÁLISIS CROMATOGRAFICOS. Los análisis y su elaboración.. En las instalaciones del Laboratorio Servicios Industriales APG Ltda. Se realizaron los análisis cromatográficos. Se empleó un cromatógrafo Shimadzu A-80 con detector de captura de electrones y columna HP-Plot “KCl” diseñada para separar hidrocarburos de C1 a C6. 5.2. La calibración del cromatógrafo. El primer paso para la realización de los ensayos fue el de determinar los picos para los dos compuestos esto se realizó inyectando cada uno de los compuestos puros directamente al cromatógrafo. De esta manera se determinó que el tiempo de retención para el CFC-11 se encontraba alrededor de los 2.1min y para el HCFC-141b se encontraba por los 3.4 min La calibración del cromatógrafo se realizó inyectando diferentes volúmenes de una misma concentración de cada uno de los compuestos. (el proceso realizado para la calibración del cromatógrafo se presenta en el Anexo B) El procedimiento experimental para la calibración del cromatógrafo se desarrolló de la siguiente manera: • Se toma una botella de vidrio de 100ml. • Se sella con la septa de teflón y la grafa de aluminio. • Se realiza el cambio de atmósfera. Se introduce la mezcla de gases 80% N2 y 20%CO2. • Se determina la concentración que se quiere preparar. • Se calcula el volumen del compuesto puro que se debe inyectar para preparar esa concentración. • Se inyecta este volumen del compuesto puro con ayuda de una jeringa de cromatografía, a la botella sellada y llena con los gases. Esto se conoce como stock del compuesto. • Se agita bien. • Se toma el volumen de muestra que se quiere inyectar con una jeringa especial de cromatografía. • Se inyecta al cromatógrafo y se espera la respuesta del software acoplado al equipo.. Ya que la respuesta para el CFC-11 es más alta que la del HCFC-141b para un mismo volumen de inyección. Esto se debe a la respuesta del detector al número de halogenados que tiene cada uno de los compuestos. El CFC-11 tiene un átomo de flúor y tres de cloro,. 39.

(40) IQ-2004-1-02. IQ-2004-1-14. mientras que el HCFC-141b tiene dos átomos de cloro y uno de flúor. La respuesta del detector de captura de electrones a los halogenados se da de la siguiente manera I>Br>Cl>F. Por lo tanto el stock realizado para el HCFC-141b se realiza con una concentración 10 veces mayor a la del CFC-11. 0.554 =0.00554 µg /ml 100 0.478 =0.00478 µg /ml Concentración del stock de HCFC-141b= 100. Concentración del stock de CFC-11=. Se determina que el volumen a adicionar es 0.1µL de CFC-11 a cada una de 14 botellas con mezcla tierra lixiviado y mezcla de 80%N2-20%CO2 y 1µL de HCFC-11 a las 141 botellas restantes preparadas de la misma manera. Igualmente se preparan 2 botellas como blanco, una para CFC-11 y una para HCFC-141b las cuales contienen la mezcla de los gases únicamente y son los equivalentes a los stocks.A partir de las botellas blanco (stocks) se realizan las curvas de calibración como punto de partida, a continuación se muestran los resultados:. Tabla 4. Resultados del stock de CFC-11 Compuesto. Tipo de jeringa. CFC-11 CFC-11 CFC-11. Air Tight Air Tight Air Tight. Volumen Inyectado(µL) 2 5 10. Área 79,749 203,235 431,2421. Masa de compuesto(µg) 1,10919E-05 2,77297E-05 5,54594E-05. Tiempo retención (min) 2,161 2,168 2,173. Gráfica 1. Curva de calibración definitiva de CFC-11 vapor con jeringa air tight Curva de calibración definitiva CFC-11 vapor con jeringa air tight y = 44,107x - 11,862 R 2 = 0,9993. 500 450 400 350. Area. 300 250 200 150 100 50 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. Volumen ml CFC-11 vapor air tight. Lineal (CFC-11 vapor air tight). 40.