Química del proceso seleccionado

El arsénico es un elemento metaloide que se encuentra ampliamente distribuido en la tierra que ingresa a las vías fluviales desde fuentes naturales y antropogénicas. El arsénico se presenta en áreas de alta actividad geotérmica, sin embargo, la fundición,

la refinación de petróleo, los pesticidas, la fabricación de herbicidas y otras actividades industriales pueden introducir cantidades de este elemento tóxico en el medio ambiente. (Francisca, 2014)

Los efectos del arsénico en la salud están bien documentados y están regulados en función de su impacto en la salud humana. Hiperpigmentación, cáncer a la piel y de hígado y trastornos circulatorios se atribuyen a niveles más altos de ingestión de arsénico, en particular con el paso del tiempo en periodos prolongados de consumo.

La organización mundial de la salud OMS desde 1993 viene promulgando los efectos en la salud por la ingesta de arsénico y redujo su límite en agua potable de 50 ug/L a 10 ug/L, Estados Unidos es uno de los países que mejoró sus normas ambientales para disminuir la presencia de arsénico en sus aguas de consumo humano. (Rojas- Chaves, 2015)

El arsénico es estable en varios estados de oxidación, bajo diferentes condiciones redox en el agua. Sin embargo, cuando está presente en el agua subterránea, el arsénico se presenta principalmente en las formas de arsenito (III) y arseniato (V). La forma de arsenito suele ser la forma predominante en aguas subterráneas, ya que es más probable que se encuentre libre de oxígeno (en condiciones anaeróbicas). El arsénico (V) es más común en aguas superficiales (condiciones aeróbicas).

La toxicidad del arsénico varía mucho de acuerdo con su estado de oxidación. Por ejemplo: el As(III) es mucho más tóxico que el As(V). Las formas de arsenito y arseniato, ambas formas son más tóxicas que las formas orgánicas del arsénico, comúnmente presentes como contaminantes en las aguas superficiales. El As (III) como (V) son especies disueltas en el agua. En la mayoría de las tecnologías de tratamiento, el As (V) se elimina con mayor facilidad que el As(III). Si el arsénico (III) es la forma predominante, se puede requerir oxidación para convertirlo a As(V) y aumentar la eficiencia general de tratamiento. El arsenito se oxida de forma natural en la naturaleza a arseniato en presencia de oxígeno, pero en la práctica se aplica

procesos de oxidación con cloro, permanganato de potasio, ozono y otros a las aguas recién captadas de los procesos mineros para acelerar el proceso de tratamiento. El dióxido de cloro es ineficaz para el tratamiento de oxidación del arsenito de acuerdo a la bibliografía científica. (Litter, 2010)

Existen varias tecnologías utilizadas para eliminar el arsénico del agua potable. Estos incluyen adsorción en medios granulares a base de hierro, adsorción en iones con resinas de intercambio iónico, adsorción en alúmina activada, coprecipitación, coagulación con ácido férrico seguido de filtración con membrana. La tabla 1 resume la efectividad de las tecnologías de tratamiento para la eliminación del arsénico.

Tabla 1: Efectividad de las tecnologías de tratamiento para la eliminación de arsénico

Fuente: (Litter, 2010)

Con la coagulación para la eliminación de arsénico, los coagulantes a base de hierro son generalmente más eficaces que los coagulantes de aluminio. Los coagulantes de hierro añadidos al agua se hidrolizan para formar hidróxido férrico con una carga neta positiva. Esta carga positiva neta está en función del pH. A medida que el pH disminuye, el número de sitios cargados positivamente en las partículas de hidróxido férrico aumentan. Arseniato (V) es un anión y como está cargado negativamente, se adsorberá al hidróxido férrico cargado positivamente. La eliminación de arsénico generalmente se optimiza a valores de pH aproximadamente de 7.

Se probaron diferentes coagulantes a base de aluminio y hierro para la eliminación de arsénico (V) del agua. De los coagulantes de aluminio, sus eficiencias de remoción se dieron en el siguiente orden: cloruro de polialuminio>sultato de polialuminio>cloruro de aluminio>sulfato de aluminio. Los mejores resultados se obtuvieron a un pH de 5.5.

con una concentración inicial de arsénico (V) de 50 ug/L con una combinación de coagulación y sedimentación, las eliminaciones de arsénico (V) oscilaran entre 41 a 89% de eficiencia de remoción a dosis de 0.8 a 1.9 mg/L de aluminio. Al añadir posteriormente un proceso de filtración las remociones de arsénico aumentaron del 59 al 99%. (Simeonova, 2006)

Usando coagulantes férricos en las mismas condiciones que las del aluminio, las eficiencias de remoción del arsénico (V) se dieron en el siguiente orden: cloruro poliférrico>sulfato poliférrico>cloruro férrico>sulfato férrico. Los mejores resultados también se obtuvieron a un pH de 5.5. Con una concentración inicial de arsénico de 50 ug/L y una combinación de coagulación y sedimentación, las remociones de arsénico oscilaron aproximadamente entre el 44 y 98% con dosis de Fe de 1.7 a 3.8.

Al añadir la filtración las remociones de arsénico aumentaron del 70 al 99.6%.

Los resultados confirmaron que los coagulantes férricos son generalmente superiores a los de aluminio para la eliminación de arsénico.

Smith demostró que la coagulación seguida de microfiltración proporciona mejores resultados. La sedimentación con microarenas también presentó buenos resultados similares al tratamiento de sedimentación convencional, pero generalmente no tan eficiente como la microfiltración. Otros autores compararon los costos generales de tres procesos alternativos para la eliminación de arsénico de agua subterráneas:

intercambio iónico, adsorción de alúmina activada, y coagulación-microfiltración.

Todos los procesos fueron capaces de reducir el arsénico inicial de niveles de 40 ug/L a 2 ug/L. El coste más bajo fue el de coagulación-microfiltración. Las proporciones relativas de los costos de implementación para las tres alternativas fueron:

1.26:1.10:1.0 respectivamente. La relación de costos de operación y mantenimiento fueron de 1.64:1.63:1.0 respectivamente. (Simeonova, 2006)

Como información adicional el estado de oxidación del arsénico y por tanto su movilidad, están controlados por las condiciones redox. El arsénico es un elemento particular entre los metaloides pesados y elementos formadores de oxianiones por su sensibilidad a movilizarse en los valores de pH de 6,5 a 8,5. Sin tener en cuenta otros factores como contenido en materia orgánica, en condiciones oxidantes, el estado arseniato As (V) predomina sobre arsenito As (III), encontrándose fundamentalmente como H2AsO^4- a valores de pH bajos (inferiores a 6,9), mientras que a pH más alto, la especie dominante es HAsO42- (en condiciones de extrema acidez, la especie dominante será H3AsO40, mientras que en condiciones de extrema basicidad, la especie dominante será AsO43-).

Figura 6: Eh-pH de especies acuosas de arsénico en el sistema As-O2-H2O Fuente: (IBARRA, 2016)

Figura 7: Especies de a) As (III) y b) As (V) en función del pH

Fuente: (IBARRA, 2016)

El arsénico ocurre naturalmente en el suelo y en muchos tipos de rocas, principalmente en minerales que contienen cobre o plomo. Cuando estos minerales se calientan en hornos, arsénico se elimina en forma de un polvo fino que entra a la atmósfera. Las fundiciones pueden recuperar este polvo y remover el As en forma de un compuesto llamado trióxido de arsénico (As2O3). En la siguiente tabla se muetra algunos de los compuestos inorgánicos del arsénico.

Tabla 2: Compuestos de arsénico inorgánico

Fuente: (IBARRA, 2016) Método de Co-Precipitación

Para incrementar la eficiencia de remoción cuando está presente el As(III) es necesaria su pre-oxidación a especies de As(V), lo que se logra con la aplicación de cloro aunque puede utilizarse también permanganato de potasio (KMnO4) u ozono (O3).

La coagulación de As (V) con sales de Al(III) y Fe(III) es un método reconocido como uno de los más eficientes para la remoción de arsénico. Las sales de hierro y aluminio se hidrolizan formando hidróxidos sobre los cuales el As (V) se adsorbe y co-precipita.

El radical HO• y otras especies oxidan As(III) a As(V) que se adsorbe sobre el hierro, según la reacción. (IBARRA, 2016)

Los resultados indican que el arseniato fue removido por la formación del complejo bidentado nuclear con FeO(OH)-.

Se tiene como referencia la siguiente reacción: