UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

REMOCIÓN DE CROMO DE AGUA RESIDUAL DE LA INDUSTRIA TEXTIL CON FILTROS DE ARCILLA

TESIS

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO

PRESENTADO POR:

Bach. BALDEÓN GARCÍA, Henry Franklin Bach. CARRIÓN ESPINOZA, Laura Vaneza

HUANCAYO - PERÚ

2015

ASESOR:

Ms. WALTER SEGUNDO FUENTES LÓPEZ

DEDICATORIA

A mis padres por su apoyo incondicional a lo largo de mi carrera y mi vida y a mis hermanos por la confianza depositada.

A mi familia eternamente agradecido.

Henry Franklin.

A mi hermosa abuela Rosario por su apoyo incondicional.

A mis queridos padres Magna y Teodosio, por los buenos principios de inculcarme a salir siempre adelante e incentivarme con amor y, por supuesto, la gran confianza que siempre tienen conmigo.

A mis hermanos Carlos y Daniela por su apoyo moral.

Laura Vaneza.

AGRADECIMIENTOS

 En primera instancia agradecemos a la Facultad de Ingeniería Química por brindarnos una formación académica.

 A nuestro asesor Ms. Walter Segundo Fuentes López por sus aportes académicos, de infraestructura y guía personal, entre otros.

 Al Técnico Administrativo de Prácticas José Vilcamichi por su ayuda desinteresada en la investigación.

 Al Dr. Gino Picasso por realización de nuestros análisis en las instalaciones del laboratorio de la Universidad Nacional de Ingeniería.

 A la Ingeniera Gladys Ávila por facilitarnos el acceso a sus equipos.

 Al Laboratorio de Impala Terminals Perú por el análisis de FRX y por los

conocimientos brindados que fueron de gran ayuda en el desarrollo de la tesis.

 A la Ingeniera Yéssica Bendezú por los aportes en conocimientos sobre esta investigación.

 Y a Dios por permitir culminar satisfactoriamente este trabajo de investigación.

 Al economista Florencio Álvarez por los consejos y ayuda moral brindada.

RESUMEN

La tesis titulada como ¨Remoción de cromo de agua residual de la industria textil con filtros de arcilla¨ fue desarrollada en el Laboratorio de No Metálicos de la Facultad de Ingeniería Química de la UNCP, tiene como objetivo principal remover el cromo de agua residual de la industria con filtros de arcilla y como objetivos específicos; realizar la caracterización química, mineralógica y fisicoquímica de la arcilla, realizar el proceso de elaboración de los filtros de la arcilla natural y determinar sus características, realizar la caracterización fisicoquímica del agua residual, determinar el tiempo y pH de adsorción para remover cromo en las aguas residuales.

La caracterización de la arcilla proveniente de Chongos Alto-Chupaca se realizó mediante los análisis de Fluorescencia de Rayos X (FRX), Difracción de Rayos X (DRX), Espectroscopía Infrarroja de Transformada de Fourier (FTIR) y Brunauer- Emmett-Teller (adsorción BET). Para la elaboración de los filtros de arcilla natural se determinó la resistencia y la proporción de arcilla/aserrín. La caracterización fisicoquímica de las aguas residuales textiles se realizó mediante el método de análisis de Espectrometría Molecular UV-Vis. Para el tiempo y pH de adsorción para remover cromo en las aguas residuales con los filtros de arcilla en la solución acuosa de cromo, se determinó en dos partes, la primera en 3 tiempos (12, 24, 6) h y la segunda etapa se realizó en los tiempos de 18 y 30 h. Para la capacidad de remoción de cromo obtenido después del proceso con los filtros de arcilla se realizó el desarrollo en cinco etapas teniendo como parámetros al tiempo y pH.

Como resultados de la caracterización fisicoquímica de la arcilla, del análisis de adsorción por el método BET se obtuvo que el área superficial es 43,5740 m²/g.

Para la caracterización de la aguas residuales textiles se obtuvo el color caramelo oscuro (22040), pH: 6,24, presencia de aceites y grasas dentro de los Límites Máximos Permisibles (L.M.P) (<20), solidos totales en suspensión: 120 mg/L esto se encuentra dentro de los L.M.P y como única presencia de metal pesado al cromo 106,215 mg Cr/L. El tiempo de adsorción es 17,18h y el pH de adsorción 1. La capacidad de remoción de cromo residual de la industria textil con filtros de arcilla es 93,446% en 5 etapas.

Se concluye que los filtros de arcilla removieron Cromo hasta una concentración final promedio 6,961 mg Cr/ L. desde una concentración inicial de 106,215 mg Cr/L.

INTRODUCCIÓN

Las aguas residuales industriales textiles son materiales derivados de la actividad industrial y, los cuales por razones de salud pública no pueden ser vertidos a los cursos de aguas corrientes o ríos. A pesar de las recomendaciones y ordenanzas en los últimos años los ambientes naturales han recibido un creciente aporte de efluentes industriales que han llevado al deterioro de muchos cursos de ríos principalmente, debido a que son dirigidos las aguas residuales sin ningún tipo de tratamiento ha estás, haciéndolos incompatibles con todo tipo de vida.

La concentración de Cr total varía en los efluentes industriales desde docenas a cientos de gramos o miligramos, la cantidad de aguas contaminadas con cromo que se vierten al ambiente el cual varían de docenas a cientos de metros cúbicos por hora (UNEP y CIP, 1998). Aun cuando los Límites Máximos Permisibles según la Norma Oficial Mexicana, las descargas de aguas residuales provenientes de industria textil con respecto al cromo debe ser: 1-2(mg Cr/L).

Los procesos de teñidos con lana de oveja que es la que utilizan en la industria textil generan líquidos y sólidos que se distinguen por su elevada carga orgánica y presencia de agentes químicos que pueden tener efectos tóxicos, como es el caso del sulfuro y el cromo. Las variaciones en cuanto al volumen de los residuos y a la concentración de la carga contaminante se presentan de acuerdo a la materia prima procesada y a la tecnología empleada.

El cromo en la etapa de teñido, es un contaminante altamente negativo para los ríos al que son desembocados, ya que su impacto produce daños a la salud humana y animal, también genera daños a la ecología que sostiene la producción de alimentos y desde el punto de vista económica la descarga de residuos es un desperdicio de recursos que son escasos.

Para el mejor desarrollo y entendimiento de la tesis en mención optamos por dividirla en III capítulos; capítulo I, aquí indicamos a los antecedentes y la referencia bibliográfica, capítulo II, indicamos la parte experimental, se indica la caracterización de la arcilla proveniente de Chongos Alto-Chupaca, la elaboración de los filtros, la caracterización del agua textil, la determinación del pH y tiempo de adsorción para remover cromo en las aguas residuales y por último en el capítulo III, mencionamos a los resultados, discusión de resultados, conclusiones y recomendaciones para un mejor desarrollo de la tesis.

Pretendemos que la tesis en mención pueda ser de gran ayuda a las industrias textiles y así se evite dañar al medio ambiente con la exposición del cromo en ríos y por consiguiente puedan mejorar y optimizar los costos de remoción.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL:

 Remover el cromo de agua residual de la industria textil con filtros de arcilla.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

 Caracterizar química, mineralógica y fisicoquímicamente la arcilla procedente de Chongos Alto- Chupaca.

 Realizar el proceso de elaboración de los filtros de arcilla natural y determinar sus características.

 Determinar las características físico-químicas del agua residual de la industria textil.

 Determinar el tiempo de adsorción para remover cromo en las aguas residuales de la industria textil.

 Determinar el pH de adsorción para remover cromo en las aguas residuales.

SIMBOLOGÍA

ATSDR : Agency for Toxic Substances and Disease Registry BET : Brunauer Emmet Teller

Cc final : Concentración después del proceso de adsorción Ce : Concentración del adsorbato en equilibrio

Cr-PILC : Cromo pilareado

CSTR : Reactor Continuo de Tanque Agitado DRX : Difracción de Rayos x

EPA : Environmental Protection Agency () FA : Fangos activados

FRX : Fluorescencia de Rayos x

FTIR : Infrarrojo por Transformada de Fourier

°C : Grados centígrados

g : Gramo

g/L : Gramo por litro

g/m³ : Gramo por metro cúbico

h : Hora

IR : Espectroscopía por Infrarrojo

IUPAC : International Union of Pure and Applied Chemistry Kcal/mol.g : Kilocalorías por mol gramo

KJ/mol : Kilo Joules por mol

KL : Constante relacionada a la energía de adsorción

L : Litro

m²/g : Metro cuadrado por gramo m³ : Metro cúbico

meq : Miliequivalente

MgCr/L : Miligramos de cromo por litro

min : Minutos

nm : Nanómetro

P : Presión

P0 : Presión Inicial

pH : Potencial de hidrógeno Ppm : Parte por millón

Psi : Libra-fuerza por pulgada cuadrada

q : Miligramos de adsorbato por gramo de adsorbente Qe : Capacidad de adsorción en el tiempo de equilibrio Qm : Capacidad de adsorción máxima

RPM : Revoluciones por Minuto SS : Superficie específica UC : Unidades de color

UNC : Universidad Nacional de Córdova

UNCP : Universidad Nacional del Centro del Perú UNI : Universidad Nacional de Ingeniería

UNMSM : Universidad Nacional Mayor de San Marcos

V : Volumen

Vm : Volumen de monocapa

CONTENIDO

DEDICATORIA iii

AGRADECIMIENTO iv

RESUMEN v

INTRODUCCIÓN vii

OBJETIVOS viii

SIMBOLOGÍA ix

CONTENIDO xi

CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO

1.1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 13

1.2 CROMO 15

1.2.1 APLICACIONES 15

1.2.2 FUENTE Y ACUMULACIÓN EN LOS ALIMENTOS 16

1.2.3 PRECAUCIONES 16

1.2.4 LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES 17

1.3 AGUAS RESIDUALES 17

1.3.1 AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES TEXTILES 18 1.3.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS DEL AGUA

RESIDUAL 18

1.3.3 COMPOSICIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES 20

1.3.4 MÉTODOS ANALÍTICOS 20

1.3.5 MÉTODO DE MUESTREO DEL AGUA RESIDUAL 20

1.4 ARCILLAS 21

1.4.1 PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE LA ARCILLA 21 1.4.2 SISTEMA DE CRISTALIZACIÓN DE LA ARCILLA 22 1.4.3 USOS Y APLICACIONES DE LA ARCILLA 23 1.4.4 HIDRATACIÓN E HINCHAMIENTO DE LAS ARCILLAS 24 1.4.5 ESTRUCTURA DE LOS FILOSILICATOS 24

1.5 ADSORCIÓN 27

1.5.1 TIPOS DE ADSORCIÓN 27

1.5.2 DESCRIPCIÓN DE LA ADSORCIÓN 27 1.5.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ADSORCIÓN

DE COMPUESTOS PRESENTES EN EL AGUA 28

1.6 TAMAÑO DE POROS 28

1.7 ISOTERMAS 29

1.8 METODO PARA LA AGITACIÓN DE LA SOLUCIÓN 30

1.8.1 EL REACTOR DE TANQUE AGITADO DISCONTINUO 30 1.9 MODELOS MATEMÁTICOS DE ADSORCIÓN 30

1.9.1 ISOTERMA DE LANGMUIR 30

1.9.2 ISOTERMA DE FREUNDLICH 31

1.9.3 PORCENTAJE ADSORBIDO DE CROMO TOTAL 33 1.10 TÉCNICAS ANALÍTICAS PARA LA CARACTERIZACIÓN

DE LA ARCILLA 33

1.10.1 ESPECTROSCOPÍA DE FLUORESCENCIA DE RAYOS

X (XRF) 33

1.10.2 DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX) 34

1.10.3 ADSORCIÓN DE N2 35

1.10.4 ESPECTROSCOPÍA INFRARROJA DE TRANSFORMADA

DE FOURIER (FTIR) 36

1.10.5 ESPECTROSCOPÍA MOLECULAR 37 CAPÍTULO II

PARTE EXPERIMENTAL

2.1 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 38

2.1.1 ESQUEMA DE INVESTIGACIÓN 38

2.2 POBLACIÓN Y MUESTRA DE LAS AGUAS RESIDUALES 40 2.2.1 PLAN DE MUESTREO DE LAS AGUAS RESIDUALES 40 2.3 EQUIPOS MATERIALES Y REACTIVOS 41

2.4 PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES 42

2.4.1 PREPARACIÓN DE MUESTRAS 42

2.4.2 CARACTERIZACIÓN DEL EFLUENTE TEXTIL 44 2.4.3 CARACTERIZACIÓN DE LA ARCILLA 45

2.4.4 REMOCIÓN DE CROMO 47

2.4.5 EVALUACION DE REMOCION EN EL EFLUENTE TEXTIL 49 CAPÍTULO III

RESULTADOS Y DISCUSION

3.1 CARACTERIZACION DEL EFLUENTE TEXTIL 50

3.2 CARACTERIZACION DE LA ARCILLA PROVENIENTE DE

CHONGOS ALTO– CHUPACA 51

3.2.1 CARACTERÍSTICA QUÍMICA DE LA ARCILLA 51 3.2.2 CARACTERISTICA MINERALOGICA 56 3.2.3 CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS 57 3.2.4 DETERMINACIÓN DE MASA FILTRO – CURVA DE MASAS 64 3.2.5 DETERMINACIÓN DEL TIEMPO Y pH DE ADSORCIÓN 65 3.2.6 DETERMINACIÓN DE pH DE ADSORCIÓN 67 3.2.7 DETERMINACIÓN DE TIEMPO DE ADSORCIÓN 67 3.2.8 PRUEBAS DE REMOCIÓN DE CROMO EN SOLUCION

ACUOSA 69

3.2.9 ISOTERMAS DE ADSORCION 70

3.2.10 RESULTADOS DEL ANÁLISIS DEL MODELO

ISOTÉRMICO DEL PROCESO DE ADSORCION 71

3.2.11 ADSORCION DE CROMO DE EFLUENTE TEXTIL 76

CONCLUSIONES 78

RECOMENDACIONES 79

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 80

ANEXOS 84

CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

La contaminación de aguas residuales industriales es una preocupación a nivel internacional, la adsorción es uno de los métodos más utilizados para minimizar el grado de contaminación en los efluentes el que ha originado su estudio con elementos adsorbentes como las arcillas, por consiguiente se revisaron estudios que resultan de gran interés para el tema en mención:

Slavee y Pickering (1998), estudiaron los efectos del pH en la retención de Cu, Cr, Pb, Cd y Zn empleando mezclas de arcillas (caolinitas, illitas y montmorillonitas), encontraron que éstas retenían los metales en un intervalo de pH entre 3 y 6.

Barnes, Dorairaja y Zela (1990), utilizaron las arcillas caolinitas y bentonitas para la remoción de cromo de los desechos líquidos del estado de New Jersey, encontrando que las bentonitas adsorben mejor el cromo que las caolinitas a pH bajos.

Sun Kou y colaboradores (1998), describen las tecnologías que están aplicando a nivel de laboratorio, para el tratamiento de aguas residuales de las plantas galvánicas, estas aguas residuales constituyen uno de los desechos líquidos inorgánicos de gran poder contaminante por sus características tóxicas y corrosivas. Las cuales se deben a las concentraciones normalmente elevadas de cianuros y de metales pesados, además, la acidez y la alcalinidad confieren al desecho un fuerte poder corrosivo. Por lo tanto, ellos plantean la remoción de metales empleando mezcla de arcillas (caolinitas, illitas y montmorillonitas), obteniendo resultados aceptables. Ellos, además, utilizan bentonitas activadas y pilareadas, para la adsorción de Cr (VI), encontrando que el pH a la cual la arcilla retiene mayor cantidad de Cr (VI), varía entre 2,5 y 3,3.

Saad Ali Khan y colaboradores, (1995), realizan un estudio para remover iones metálicos, Cr (III), Cr (VI) y Ag (I), por un proceso de adsorción tipo “discontinuo”, utilizando bentonita como adsorbente. Determinan el coeficiente de distribución (Kd), por sistemas de adsorción en función del tiempo de contacto, pH, temperatura y concentración del adsorbente y el adsorbato; también realizaron estudios termodinámicos a diferentes temperaturas (entalpía, entropía y energía libre de adsorción). Encontraron que el proceso de adsorción de Cr (III) y Ag (I) en bentonita es exotérmico y que el proceso es favorecido a bajas temperaturas, mientras que para los iones cromato el proceso es endotérmico y la adsorción es favorecida a altas temperaturas.

Echavarría A., 1998, uso de bentonita en aguas residuales de curtiembres para la remoción de Cr (III), revista (Colombia). Las curtimbres descargan, a las fuentes naturales de agua, grandes cantidades de residuos líquidos altamente contaminados. Los efluentes generados en dichos procesos se caracterizan por su color oscuro, olor desagradable y elevada concentración de materiales sólidos, solubles e insolubles, orgánicos e inorgánicos. Siendo el cromo el principal agente contaminante en estas aguas, con una concentración cercana a

los 2000 ppm, se hace necesario implementar tecnologías que permitan su remoción.

Los métodos convencionales para el tratamiento del cromo se basan en su precipitación como hidróxido, pero estos producen lodos residuales que generan problemas ecológicos en su disposición final.

PREPARACIÓN DE FILTROS DE ADSORCIÓN A BASE DE ARCILLAS MODIFICADAS

María del Rosario Sun Kou, José Inga, Abel Gutarra (2011), La cantidad de contaminantes textiles (colorantes, surfactantes, fenoles entre otros) se ha incrementado en los últimos años en el Perú debido al aumento en los volúmenes de exportación, La adsorción es uno de los métodos más ampliamente usados para minimizar el grado de contaminación en los efluentes industriales, esto ha motivado el desarrollo de materiales abundantes y de bajo costo que puedan ser utilizados como adsorbentes.

Elizabeth Oré, 2005, Evaluación de bentonitas en la remoción de Cr del efluente residual de curtiembre, trabajo de investigación (Huancayo). Se evaluaron bentonitas del Valle del Mantaro (Huancayo-Perú) con la finalidad de remover cromo del efluente residual del proceso de curtiembre para disminuir los efectos ambientales causados por éste y simultáneamente aprovecharlo para transformar la bentonita en un precursor y obtener bentonitas con pilares de cromo (Cr-PILC). De esta manera se logró reducir la concentración de cromo presente en el efluente residual desde 635 ppm a 4,06 ppm en el mejor de los resultados. Simultáneamente se obtuvo la bentonita intercalada que es base para la arcilla pilareada. El líquido residual, es previamente tratado con NaOH y ácido fórmico con la finalidad de obtener cromo hidroxitrimérico (TCF). Las bentonitas previamente caracterizadas por DRX, Adsorción de Azul de metileno y adsorción de N2, fueron puestas en contacto con el líquido, en experimentos en los que se variaron la temperatura y el tiempo del proceso fue dado en un rango de 10 a 40 horas. Se observó que el porcentaje de remoción es mejor con el incremento de la temperatura como lo demuestra el mejor resultado (99,36%) utilizando la bentonita Mitopampa y sometiendo el proceso a 60ºC durante 40 h.

Las bentonitas intercaladas fueron separadas del líquido, lavadas para eliminar las sales, secadas y calcinadas a 400ºC para consolidar el pilar. El incremento de la superficie específica y volumen de microporos en las bentonitas naturales se atribuyen a la presencia de la especie trimérica de cromo entre el espacio laminar de las bentonitas. Los espectros IR de las bentonitas naturales y los Cr- PILCs confirman esta presencia debida al ión TC

1.2 CROMO

El cromo es un elemento químico de número atómico 24 que se encuentra en el grupo 6 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Cr. Es un metal que se emplea especialmente en metalurgia. Su nombre "cromo"

(derivado del griego chroma, "color") se debe a los distintos colores que presentan sus compuestos.

Como elemento natural que se encuentra en rocas, animales, plantas, el suelo, y en polvo y gases volcánicos. El cromo está presente en el medio ambiente en varias formas diferentes. Las formas más comunes son el cromo (0), el cromo (III) y el cromo (VI). No se ha asociado ningún sabor u olor con los compuestos de cromo. El cromo (III) ocurre en forma natural en el ambiente y es un elemento nutritivo esencial. El cromo (VI) y el cromo (0) son producidos generalmente por procesos industriales. El cromo metálico, que es la forma de cromo (0), se usa para fabricar acero. El cromo (VI) y el cromo (III) se usan en cromado, en tinturas y pigmentos, curtido de cuero y para preservar madera. (Elika 2014).

1.2.1 APLICACIONES

El cromo se utiliza principalmente en metalurgia para aportar resistencia a la corrosión y un acabado brillante.

En aleaciones, por ejemplo, el acero inoxidable es aquel que contiene más de un 12% en cromo, aunque las propiedades antioxidantes del cromo empiezan a notarse a partir del 5% de concentración. Además tiene un efecto alfágeno, es decir, abre el campo de la ferrita y lo fija.

En procesos de cromado (depositar una capa protectora mediante electrodeposición). También se utiliza en el anodizado del aluminio.

En pinturas cromadas como tratamiento antioxidante.

Sus cromatos (cromato de plomo) y óxidos (óxido de cromo III o verde de cromo) se emplean en colorantes y pinturas. En general, sus sales se emplean, debido a sus variados colores, como mordientes. (Elika 2014)

El dicromato de potasio (K2Cr2O7) es un reactivo químico que se emplea en la limpieza de material de vidrio de laboratorio y, en análisis volumétricos, como agente valorante.

Es común el uso del cromo y de alguno de sus óxidos como catalizadores, por ejemplo, en la síntesis de amoníaco (NH3).

El mineral cromita (Cr2O3·FeO) se emplea en moldes para la fabricación de ladrillos (en general, para fabricar materiales refractarios). Con todo, una buena parte de la cromita consumida se emplea para obtener cromo o en aleaciones.

En el curtido del cuero es frecuente emplear el denominado "curtido al cromo" en el que se emplea hidroxisulfato de cromo (III) (Cr(OH)(SO4)).

Para preservar la madera se suelen utilizar sustancias químicas que se fijan a la madera protegiéndola. Entre estas sustancias se emplea óxido de cromo (VI) (CrO3).

Cuando en el corindón (α-Al2O3) se sustituyen algunos iones de aluminio por iones de cromo se obtiene el rubí; esta gema se puede emplear, por ejemplo, en láseres.

El dióxido de cromo (CrO2) se emplea para fabricar las cintas magnéticas empleadas en las casetes, dando mejores resultados que con óxido de hierro (III) (Fe2O3) debido a que presentan una mayor coercitividad. (Elika 2014)

1.2.2 FUENTE Y ACUMULACIÓN EN LOS ALIMENTOS

El Cromo se encuentra ampliamente distribuido en la naturaleza, en rocas, suelo, agua, polvo y gas volcánico, y en una variedad de estados oxidativos. En estado trivalente (Cr III) se encuentra de forma natural en diversidad de alimentos (carne, mariscos, huevos, cereales integrales, frutos secos y frutas y verduras) siendo esencial en pequeñas cantidades para el buen mantenimiento de la salud, por su capacidad potenciadora de la acción de la insulina y su influencia en el metabolismo de los hidratos de carbono, lípidos y proteínas. Por ello, las dietas deficientes en cromo se asocian a enfermedades como la diabetes, así como a la aparición de problemas cardiovasculares, por lo que se aconseja en algunos pacientes, como diabéticos, como complemento alimenticio. Por otra parte, se libera al aire, suelo y agua en su forma hexavalente (Cr VI) debido al gran uso del metal en actividades industriales, como industrias de galvanoplastia, curtido de cuero, producción de textiles, y por combustión de combustibles fósiles (gas natural, petróleo y carbón), madera y papel. Por tanto, los seres humanos se exponen a este compuesto cuando consumen alimentos derivados de los animales o vegetales con concentraciones de cromo transferido del suelo o del agua, así como por la propia ingesta de agua contaminada con Cr VI. (Quer-Brossa, 1983).

1.2.3 PRECAUCIONES

Generalmente, no se considera que el cromo metal y los compuestos de cromo (III) sean especialmente un riesgo para la salud; se trata de un elemento esencial para el ser humano, pero en altas concentraciones resulta tóxico.

Los compuestos de cromo (VI) son tóxicos si son ingeridos, siendo la dosis letal de unos pocos gramos. En niveles no letales, el Cr (VI) es cancerígeno. La mayoría de los compuestos de cromo (VI) irritan los ojos, la piel y las mucosas.

La exposición crónica a compuestos de cromo (VI) puede provocar daños permanentes en los ojos.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) recomienda desde 1958 una concentración máxima de 0,05 mg/litro de cromo (VI) en el agua de consumo.

Este valor se ha revisado en nuevos estudios sobre sus efectos en la salud, pero ha permanecido constante. (Quer-Brossa, 1983).

TOXICIDAD

El estado de oxidación es la característica principal para determinar la toxicidad del metal. El Cr (III) presenta baja toxicidad oral porque su capacidad de absorción es muy baja y también presenta baja capacidad de penetración en las células. La mayor parte del Cr (VI) ingerido se reduce en el estómago a Cr (III),

excretándose por vía urinaria en una semana, pero una mínima parte del Cr (VI) es capaz de atravesar las membranas celulares y puede permanecer en las células, tejidos y órganos durante años. El Cr (VI) ha sido clasificado como posible carcinógeno para los humanos (Grupo 1 - IARC) por su demostrable genotoxicidad y carcinogenicidad.

Los principales órganos afectados por su carcinogenidad son los pulmones y los senos nasales.

La genotoxicidad se ha visto evidenciada en varios estudios científicos donde la exposición a altas dosis de Cr (VI) les ha provocado a mujeres embarazadas abortos, alteraciones en el desarrollo del esqueleto y sistema reproductivo del feto y bajo peso de nacimiento. (Elika 2014).

CROMO EN LA SALUD

El cromo es un contaminante químico que se transmite al ser humano a través del consumo de alimentos y agua con altas concentraciones de este metal pesado.

Está presente de forma natural en el medio ambiente y se deposita en el suelo y agua, acumulándose en los cultivos, y organismos terrestres y acuáticos.

Se libera al medio ambiente procedente de su utilización en gran diversidad de aplicaciones industriales.

El Cr (III) es muy poco biodisponible, y se excreta rápidamente por vía urinaria.

El Cr (VI) es carcinogénico, atraviesa las membranas celulares y se acumula principalmente en los pulmones. (Dayan A.D., et al., 2001)

1.2.4 LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES

Según la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales provenientes de la industria textil deben cumplir con las especificaciones que se indican a continuación:

pH: 5-10

Demanda bioquímica de oxígeno (mg/L): 150 Sólidos sedimentables (mg/L): 1

Cromo total (mg/L): 1 1.3 AGUAS RESIDUALES

El término de aguas residuales se define en forma amplia como la combinación de líquidos que discurren por las alcantarillas y provienen de viviendas, oficinas, establecimientos comerciales e industriales, pueden estar mezcladas con aguas superficiales o subterráneas que penetran en los conductos por filtración.

A. Clasificación de Aguas Residuales

 Aguas residuales domésticas.

Son aquellas que provienen de viviendas, restaurantes, oficinas, mercados, comercios, hospitales, albergues, cuarteles, etc. Y también residuos de tipo doméstico de cocina y baño.

 Aguas residuales industriales.

Son aquellas en las que predominan los residuos industriales de fábricas, manufacturas, productos químicos, etc.

 Aguas residuales combinadas.

Estas aguas vendrían a ser la mezcla de las ya mencionadas a las que se las puede añadir las de escorrentía pluvial. (Dasgupta Avijit et al., 1998).

1.3.1 AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES TEXTILES

Es una industria que consume grandes cantidades de agua, energía y productos químicos auxiliares, además genera una gran cantidad de agua residual; estos efluentes poseen elevadas concentraciones de colorantes, contaminantes orgánicos refractarios, compuestos tóxicos, componentes inhibidores, tensoactivos, componentes clorados. Por lo tanto, se constituyen en uno de los efluentes de más difícil tratamiento. Investigaciones realizadas por Ghoreischi presentan el efecto carcinogénico, mutagénico y el deterioro al medio ambiente que generan los colorantes al ser dispuestos en fuentes superficiales. Estudios realizados por Baunmgarten, entre otros, indican que el proceso más empleado para tratar estos efluentes son los biológicos; según la Environmental Protection Agency (EPA), el proceso más empleado es el de Fangos Activados (FA). En estos procesos, la biodegradación de la materia orgánica se lleva a cabo mediante la acción de microorganismos en condiciones aerobias, y la separación sólido-líquido se lleva a cabo mediante un clarificador secundario. Si bien es cierto que este proceso es efectivo para eliminar la materia orgánica, su principal problema es el bulking del fango, que genera eliminación de biomasa en el clarificador secundario. (Dasgupta Avijit et al., 1998).

1.3.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS DEL AGUA RESIDUAL Los constituyentes físicos, químicos y biológicos de las aguas residuales son contaminantes importantes para el tratamiento de las aguas para ello se hace mención de los métodos de análisis, y las unidades que se emplean para caracterizar la presencia de cada uno de los contaminantes en el agua residual.

Las aguas residuales se caracterizan por su composición física, química.

Cuadro 1.1: muestra las principales propiedades físicas de agua residual así como sus principales constituyentes químicos y su procedencia. Es conveniente observar que muchos de los parámetros que aparecen en la tabla están relacionados entre ellos. Por ejemplo, una propiedad física como la temperatura afecta tanto a la actividad biológica como a la cantidad de gases disueltos en el agua residual.

CUADRO 1.1: CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL AGUA RESIDUAL Y SUS PROCEDENCIAS

CARACTERÍSTICAS PROCEDENCIA

PROPIEDADES FÍSICAS:

Color Aguas industriales, degradación natural de materia orgánica.

Sólidos Agua residual industrial.

Temperatura Aguas industriales.

CONSTITUYENTES QUÍMICOS:

Grasas animales, aceites Aguas residuales industriales.

Inorgánicos:

Metales pesados Vertidos industriales

Nitrógeno Aguas residuales industriales.

PH Aguas residuales industriales.

FUENTE: (Stanley E. Manahan, 1990)

En el cuadro 1.2 se describen los contaminantes de interés en el tratamiento del agua residual. Las normas que regulan los tratamientos secundarios están basadas en las tasas de eliminación de la materia orgánica, sólidos en suspensión y patógenos presentes en el agua residual. Gran parte de las normas implantadas recientemente, más exigentes, incluyen el control de la eliminación de nutrientes y de los contaminantes prioritarios. Cuando se pretende reutilizar el agua residual, las exigencias normativas incluyen también la eliminación de compuestos orgánicos refractarios, metales pesados y, en algunos casos, sólidos inorgánicos disueltos.

CUADRO 1.2: CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN EL AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL

CONTAMINANTES RAZÓN DE IMPORTANCIA SÓLIDOS EN

SUSPENSIÓN

Los sólidos en suspensión pueden dar lugar al desarrollo de depósitos de fango y de condiciones anaerobias cuando se vierte agua residual sin tratar al entorno acuático.

CONTAMINANTES PRIORITARIOS

Son compuestos o inorgánicos determinados en base a su carcinogenicidad, mutagenicidad, teratogenicidad o toxicidad aguada conocida o sospechada. Muchos de estos compuestos se hallan presentes en el agua residual.

MATERIA ORGÁNICA REFRACTARIA

Esta materia tiende a resistir los métodos convencionales de tratamiento. Ejemplos típicos son los agentes tensoactivos, los fenoles y los pesticidas agrícolas.

METALES PESADOS

Los metales pesados (Cr) son, frecuentemente, añadidos al agua residual en el curso de ciertas actividades comerciales e industriales, y puede ser necesario eliminarlos si se pretende reutilizar el agua residual.

SÓLIDOS INORGÁNICOS DISUELTOS

Los constituyentes inorgánicos tales como el calcio, sodio, los sulfatos y sulfuros se añaden al agua de suministro como consecuencia del uso del agua, y es posible que se deban eliminar si se va a reutilizar el agua residual.

Fuente: (Stanley E. Manahan, 1990)

Las características físicas más importantes del agua residual son el contenido total de sólidos, término que engloba la materia en suspensión, la materia

sedimentable, la materia coloidal y la materia disuelta. Se resalta como características físicas importantes a la temperatura y el pH.

TEMPERATURA

La temperatura del agua residual suele ser siempre más elevada que la del agua de suministro, hecho principalmente debido a la incorporación de agua caliente procedente de las casas y los diferentes usos industriales. (Stanley E. Manahan, 1990).

pH

La concentración de ion hidrógeno es un parámetro de calidad de gran importancia tanto para el caso de aguas naturales como residuales. El intervalo de concentraciones adecuado para la adecuada proliferación y desarrollo de la mayor parte de la vida biológica es bastante estrecho y crítico. El agua residual con concentraciones de ion hidrógeno inadecuadas presenta dificultades de tratamiento con procesos biológicos, y el efluente puede modificar la concentración de ion hidrógeno en las aguas naturales si ésta no se modifica antes de la evacuación de las aguas.

1.3.3 COMPOSICIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES

La composición de las aguas residuales se refiere a las cantidades de constituyentes físicos, químicos y biológicos presentes en las aguas residuales.

En este apartado se presentan datos sobre los diferentes constituyentes de las aguas residuales y de los fangos de las fosas sépticas. (Stanley E. Manahan, 1990).

1.3.4 MÉTODOS ANALÍTICOS

Para la caracterización del agua residual se emplean tanto métodos de análisis cuantitativos, para la determinación precisa de la composición química del agua residual, como análisis cualitativos para el conocimiento de las características físicas y biológicas. Los métodos cuantitativos pueden ser gravimétricos, volumétricos o fisicoquímicos. Estos últimos se utilizan para determinar parámetros no relacionados con las propiedades másicas o volumétricas del agua, e incluyen métodos instrumentales como la colorimetría, potenciometría, espectrometría de adsorción. Los detalles relativos a los diversos análisis pueden encontrarse en la publicación Standard Methods [18], que constituyen la referencia más ampliamente aceptada que detalla los procedimientos para llevar a cabo los análisis del agua y del agua residual. (Stanley E. Manahan, 1990).

1.3.5 MÉTODO DE MUESTREO DEL AGUA RESIDUAL MUESTRA SIMPLE, PUNTUAL O INSTANTÁNEA

Es la muestra recolectada en un sitio específico durante un periodo corto, de minutos a segundos. Representa un instante en el tiempo y un punto en el espacio del área de muestreo. Sólo representa la composición del agua para ese tiempo y lugar específicos. Dicha muestra puede ser representativa de espacios y tiempos mayores si se sabe con anterioridad que la composición es constante

en el tiempo y que no existen gradientes de concentración espaciales. (Néstor Barillas et al., 2006).

COMPOSICION DE LAS AGUAS RESIDUALES

La composición de las aguas residuales se refiere a las cantidades de constituyentes físicos, químicos y biológicos presentes en las aguas residuales.

En este apartado se presentan datos sobre los diferentes constituyentes de las aguas residuales y de los fangos de las fosas sépticas. (Stanley E. Manahan, 1990).

1.4 ARCILLAS

Las arcillas tienen importantes aplicaciones industriales, este grupo de minerales radican en sus propiedades fisicoquímicas. Dichas propiedades de las arcillas y sus significados derivan principalmente, de:

 Su extremadamente pequeño tamaño de partícula (inferior a 2 μ m).

 Su morfología laminar (filosilicatos).

 Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar.

Como consecuencia de estos factores, presentan, por una parte, un valor elevado del área superficial y, a la vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa, con enlaces no saturados. Por ello pueden interaccionar con muy diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plástico en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y son capaces en algunos casos de hinchar, con el desarrollo de propiedades geológicas en suspensiones acuosas.

Por otra parte, la existencia de carga en las láminas se compensa, con la entrada en el espacio interlaminar de cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación, que pueden ser intercambiados fácilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solución saturada en otros cationes, a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico y es también la base de multitud de aplicaciones industriales. (Stanley E. Manahan, 1990).

1.4.1 PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE LA ARCILLA A. SUPERFICIE ESPECÍFICA

La superficie específica o área superficial de una arcilla se define como el área de la superficie externa más el área de la superficie interna (en el caso de que ésta exista) de las partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en:

𝑚² 𝑔 .

Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy importante para ciertos usos industriales en los que la interacción sólido-fluido depende directamente de esta propiedad.

A continuación se muestran algunos ejemplos de superficies específicas de arcillas:

 Caolinita de elevada cristalinidad hasta 15 m²/g

 Caolinita de baja cristalinidad hasta 50 m²/g

 Halloisita hasta 60 m²/g

 Illita hasta 50 m²/g

 Montmorillonita 80-300 m²/g

 Sepiolita 100-240 m²/g

 Paligorskita 100-200 m²/g

B. CLASIFICACIÓN DE LOS FILOSILICATOS

Los filosilicatos se clasifican atendiendo a que sean bilaminares o trilaminares y dioctaédricos o trioctaédricos (Cuadro 1.3). Como puede verse pertenecen a los filosilicatos grupos de minerales tan importantes como las micas y las arcillas.

CUADRO 1.3: CLASIFICACIÓN DE LOS FILOSILICATOS

DIOCTAÉDRICOS TRIOCTAÉDRICOS CARGA

BILAMINARES T : O

1:1

CANDITAS

Caolinita

SERPENTIN A

Antigorita

X = 0

Nacrita Crisotilo

Dickita Lizardita

Halloisita Bertierina

TRILAMINARES T : O : T

2 : 1

Pirofilita ESMECTITAS Vermiculitas Illitas MICAS

Montmorillo nita Beidellita Nontronita Moscovita Paragonita

Talco ESMECTITA S

Vermiculitas MICAS

Saponita Hectorita Biotita Flogopita Lepidolita

X = 0 X = 0,2-0,6 X = 0,6-0,9

X = 0,9 X = 1

T : O . T : O 2 : 1 : 1

CLORITAS FIBROSOS Paligorskita Sepiolita

FUENTE: (Quispe R.M. et al. 2001) 1.4.2 SISTEMA DE CRISTALIZACIÓN DE LA ARCILLA Ficha de Minerales Industriales: SiO3*H2O

Las esmectitas son filosilicatos, que presentan una gran diversidad composicional. Se trata, además, del único grupo de filosilicatos que aparece únicamente en las fracciones finas (< 2 µm). Como en el resto de los filosilicatos, su estructura se basa en el apilamiento de planos de iones oxígeno e hidroxilos.

Los oxígenos se unen formando capas de extensión infinita con coordinación tetraédrica. Tres de cada cuatro oxígenos están compartidos con los tetraedros vecinos. En el interior de los tetraedros se alojan cationes Si4+. Los hidroxilos forman capas con coordinación octaédrica. Los oxígenos tetraédricos sin compartir con otros oxígenos (oxígenos apicales) forman parte de la capa octaédrica adyacente. Los cationes octaédricos son, generalmente, Al³⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ o Fe³⁺ y, más raramente, Li⁺, Cr²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ o Zn²⁺ Una capa octédrica entre dos tetraédricas, unidas fuertemente por enlace covalente, forman la unidad estructural básica de las esmectitas.

En la figura 1.1 se representa el sistema de cristalización de la arcilla, las esmectitas se dividen en dos subgrupos, en función del tipo de ocupación de las posiciones octaédricas: dioctaédricas y trioctaédricas. Se denominan trioctaédricas aquellas en que están ocupadas todas las posiciones octaédricas y dioctaédricas las que sólo tienen ocupados 2/3 de los huecos.

FIGURA 1.1: SISTEMA DE CRISTALIZACIÓN DE LA ARCILLA FUENTE: (Ingrid Garcés, 2007)

PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MONTMORILLONITA

Formula Química: SiO3*H2O Compuesto: 92% de montmorillonita, 3% de cuarzo, 5% de feldespato. Humedad Máxima: 10%. Calor: 280 – 1500 °F Fuerza de Compresión Seca: 96 psi. Punto de Fusión: entre 1600 ºC – 1750 ºC. Punto de Ebullición: sublima a 1750 ºC. Solubilidad: en agua fría y caliente es insoluble, en HF es soluble, se puede observar en la figura1.2.

PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS

Color: Iridiscente. Raya: Blanca. Transparencia: Vítreo, blanco. P

FIGURA 1.2: PROPIEDADES FÍSICAS MONTMORILLONITA Fuente: (Ingrid Garcés, 2007)

1.4.3 USOS Y APLICACIONES DE LA ARCILLA

Las arcillas tienen propiedades muy amplias y atractivas lo que hace que sus usos sean muy amplios y diversos. Sus aplicaciones industriales son: Cerámica, Jabonera, Vitivinícola, Aluminio -Silicato, Fundición, Farmacopea, Perforación, Cuero, Cat Litter, Textil, Peletización, Pinturas, Papeleras, Puesta Tierra, Abrasivos, Caucho, Especiales. Además de los usos indicados anteriormente, se utilizan también como abrasivos, absorbentes, desecantes, portadores de pesticidad y biocidas, agricultura, plásticos, emulsionantes, obtención de membranas de ósmosis inversa para la desalinización de aguas y electrodos para soldadura. (Ingrid Garcés, 2007).

1.4.4 HIDRATACIÓN E HINCHAMIENTO DE LAS ARCILLAS

La hidratación y deshidratación del espacio interlaminar son propiedades características de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque hidratación y deshidratación ocurren con independencia del tipo de catión de cambio presente, el grado de hidratación sí está ligado a la naturaleza del catión interlaminar y a la carga de la lámina.

La absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas láminas de otras.

Cuando el catión interlaminar es el sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación de cristales individuales de esmectita, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades coloidales. Si por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho más reducida. (Ingrid Garcés, 2007).

1.4.5 ESTRUCTURA DE LOS FILOSILICATOS

Como veremos en la figura 1.3, las propiedades de las arcillas son consecuencia de sus características estructurales. Por ello es imprescindible conocer la estructura de los filosilicatos para poder comprender sus propiedades.

Las arcillas, al igual que el resto de los filosilicatos, presentan una estructura basada en el apilamiento de planos de iones oxígeno e hidroxilos. Los grupos tetraédricos (SiO)4-4 se unen compartiendo tres de sus cuatro oxígenos con otros vecinos formando capas, de extensión infinita y fórmula (Si2O5)^2-, que constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos. En ellas los tetraedros se distribuyen formando hexágonos. El silicio tetraédrico puede estar, en parte, sustituido por Al³⁺ o Fe³⁺.

Estas capas tetraédricas se unen a otras octaédricas de tipo gibbsita o brucita.

En ellas algunos Al³⁺o Mg²⁺, pueden estar sustituidos por Fe²⁺ o Fe³⁺ y más raramente por Li, Cr, Mn, Ni, Cu o Zn.

El plano de unión entre ambas capas está formado por los oxígenos de los tetraedros que se encontraban sin compartir con otros tetraedros (oxígenos apicales), y por grupos (OH)^- de la capa brucitica o gibsitica, de forma que, en este plano, quede un (OH)^- en el centro de cada hexágono formado por 6 oxígenos apicales. El resto de los (OH)^- son reemplazados por los oxígenos de los tetraedros.

FIGURA 1.3: ESTRUCTURA DE LOS FILOSILICATOS FUENTE: (García et al., 2003)

CAPACIDAD DE ADSORCIÓN DE LAS ARCILLAS

Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita).

La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado adsorbato).

La capacidad de adsorción se expresa en porcentaje de absorbato con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La absorción de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con respecto al peso.

TIXOTROPÍA DE LAS ARCILLAS

La tixotropía se define como el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo.

Las arcillas tixotrópicas cuando son amasadas se convierten en un verdadero líquido. Si, a continuación, se las deja en reposo recuperan la cohesión, así como el comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotrópica muestre este

especial comportamiento deberá poseer un contenido en agua próximo a su límite líquido. Por el contrario, en torno a su límite plástico no existe posibilidad de comportamiento tixotrópico.

ARCILLAS ESPECIALES

Son arcillas constituidas fundamentalmente por un sólo tipo de mineral de la arcilla, y sus propiedades dependen esencialmente de las características de ese mineral. Estas, a pesar de ser mucho menos importantes en volumen, suponen más del 70 % del valor de las arcillas comerciales, y son objeto de comercio.

Las arcillas especiales se pueden dividir en caolines y arcillas caoliníferas, y bentonitas, sepiolita y paligorskita.

FILTRACION

Es un proceso que consiste en el paso de un líquido a través de un medio filtrante para eliminar la materia en suspensión presente en el mismo. El medio filtrante puede ser arena, tierra de diatomeas, tejido filtrante, papel poroso, arcillas, etc. Los filtros pueden extraer los sólidos en suspensión, los patógenos y ciertos productos químicos, sabores y olores.

Se llama filtrabilidad a la mayor o menor facilidad con que filtra un determinado líquido. El coeficiente de filtrabilidad viene dado por la pérdida de carga en función del volumen filtrado.

El índice de filtrabilidad viene dado por la variación de velocidad de filtración para un volumen dado de agua, suponiendo constante la superficie filtrante y la carga. (Treybal R., 1990).

MUESTREO DE LA ARCILLA

La obtención de arcilla debe obtenerse en forma representativa, para la obtención de una muestra representativa de arcilla que indique una extracción uniforme, es recomendable utilizar el método de muestreo llamada técnica

“zeta”, según (Quispe R.M et al., 2001), que consiste en los siguientes pasos:

 Trazar cuadrados con la ayuda de un medidor, a una distancia considerable de separación.

 Marcar puntos extremos y medios siguiendo la forma Z.

 Por cada punto marcado hacer una excavación empleando herramientas como pico y lampa.

 Extraer de cada punto una cantidad de arcilla por hoyo perforado.

 Guardar en bolsas plásticas.

 Por cada cuadrado recolectar cantidades de arcilla representativa.

CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA DE LA ARCILLA

El análisis de las fases mineralógicas es de gran importancia para la presente tesis debido a que con estos análisis se puede saber el tipo de bentonita y los minerales que los conforman. Los tipos de métodos que se realizaron para la caracterización de la arcilla fueron: Análisis de superficies por el método BET, Fluorescencia de rayos X, Difracción de Rayos X por el método de los polvos y Espectroscopia por infrarrojo.

1.5 ADSORCIÓN

La adsorción es un proceso de transferencia de masa, basado en la capacidad de determinadas sustancias en la retención de moléculas sobre su superficie de una manera más o menos reversible.

La capacidad de adsorción depende de la superficie específica del material, la naturaleza del enlace entre sustancia adsorbida y adsorbente, y tiempo de contacto entre sustancia y adsorbente. (Treybal R., 1986).

1.5.1 TIPOS DE ADSORCIÓN

 FISISORCIÓN, o adsorción física, la cual es no específica. Las fuerzas que atraen a las moléculas del fluido a la superficie sólida generalmente son débiles (fuerzas de van der Waals), y el calor desprendido durante el proceso de adsorción es bajo (0,5 a 5 kcal/mol.g). (Smith J.M., 1987).

La sustancia adsorbida no penetra dentro de la red cristalina ni se disuelve en ella, sino que permanece totalmente sobre la superficie. Sin embargo, si el sólido es muy poroso y contiene muchos pequeños capilares, la sustancia adsorbida penetrará en estos intersticios si es que la sustancia humedece al sólido (Sun Kou et al., 2000).

 QUIMISORCIÓN, esta adsorción es específica e involucra fuerzas mucho más potentes que la adsorción física. La adsorción química o la quimisorción, en cambio, corresponde a una interacción de tipo químico, en la que los electrones de enlace entre el gas y el sólido experimentan un reordenamiento y los orbitales respectivos cambian de forma o grado de ocupación (Droguett, S., 1983).

Para distinguir entre fisisorción y quimisorción se aplican distintos criterios experimentales. Entre éstos, el más usado es el del calor de adsorción, cuya magnitud permite discriminar entre los dos tipos. Se reconoce como fisisorción cuyo calor de adsorción es inferior a 41,8kJ/mol. La quimisorción libera sobre 83,7kJ/mol. Otros criterios de cierto valor son: la velocidad de adsorción y la temperatura de adsorción. La adsorción física es muy rápida, instantánea; en cambio la química, es lenta y puede demorar días o semanas en alcanzar el equilibrio (Droguett et al., 1983).

1.5.2 DESCRIPCIÓN DE LA ADSORCIÓN

En términos generales el proceso de adsorción consiste en la captación de sustancias solubles presentes en la interfase de una solución, pudiendo constituirse dicha interfase entre un líquido y un gas, un sólido o entre dos líquidos diferentes. El uso del término sorción se debe a la dificultad de diferenciar la adsorción física de la adsorción química, y se emplea para describir el mecanismo por el cual la materia orgánica se adhiere al adsorbente. El equilibrio se alcanza cuando se igualan las tasas de sorción y desorción, momento en el que se agota la capacidad de adsorción del material. La capacidad teórica de adsorción de un determinado contaminante por medio del adsorbente se puede determinar calculando su isoterma de adsorción (Bansal, 1988).

La cantidad de adsorbato que puede retener un adsorbente es función de las características y de la concentración del adsorbato y de la temperatura. En general, la cantidad de materia adsorbida se determina como función de la concentración a temperatura constante, y la función resultante se conoce con el nombre de isoterma de adsorción.

Las moléculas en fase gas o de líquido serán unidas físicamente a una superficie, en este caso la superficie es de carbón activo. El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos:

 Macrotransporte: Movimiento del material orgánico a través del sistema de macroporos del adsorbente.

 Microtransporte: Movimiento del material orgánico a través del sistema de microporos del adsorbente.

 Adsorción: Adhesión física del material orgánico a la superficie del adsorbente en los mesoporos y microporos.

1.5.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ADSORCIÓN DE COMPUESTOS PRESENTES EN EL AGUA

 El tipo de compuesto que desee ser eliminado. los compuestos con elevado peso molecular y baja solubilidad se adsorben más fácilmente.

 La concentración del compuesto que desea ser eliminado. Cuanta más alta sea la concentración, más adsorbente se necesitará.

 Presencia de otros compuestos orgánicos que competirán con otros compuestos por los lugares de adsorción disponibles.

El pH del agua. Por ejemplo, los compuestos ácidos se eliminan más fácilmente a pH bajos. (Bansal, 1988).

El Cr puede ser adsorbido en la superficie de varios adsorbentes, como pueden ser:

 Alúmina activada, con una composición similar a Al2O3, en el cual el agua a tratar se pasa a través de un lecho fijo que contiene a dicha sustancia. Es muy efectivo para remover Cr (VI) y el pH debe estar cerca de 8.

 Hierro y otros óxidos.

 Adsorbentes naturales: bentonitas, sílices, etc.

Arcillas naturales y activadas Las arcillas usadas fueron arcillas naturales (bentonitas) y arcillas activadas. La ventaja de estas últimas son la homogeneidad de sus características físico -químicas, porosidad y de superficie, debido al tratamiento de activación al cual han sido sometidas. (BANSAL, 1988) 1.6 TAMAÑO DE POROS (Descripción cualitativa de un sólido poroso) Cualquier material que contenga cavidades, canales o intersticios puede ser considerado como poroso,

Clasificación de los poros de acuerdo a su disponibilidad a un fluido externo:

 Poros cerrados: totalmente aislados de sus vecinos. Influencian propiedades macroscópicas como la densidad, fortaleza mecánica y conductividad

térmica, pero son inactivos en procesos como flujo de fluidos y adsorción de gases.

 Poros abiertos: poseen canales continuos de comunicación con la superficie externa del material.

Las geometrías más frecuentes de los poros son:

 Poros cilíndricos (por ejemplo, en alúmina y óxido de magnesio).

 Poros en forma de rendija o hendidura (en carbones activados y arcillas).

 Espacios o huecos entre esferas de sólido conectadas (en sílice y otros sólidos obtenidos a partir de geles).

 Poros en forma de bote de tinta (ink-bottle shaped): el cuerpo del poro es mayor que su boca).

 Poros en forma de embudo (funnel shaped): contrario al anterior.

La capacidad de adsorción de los medios porosos, depende fuertemente de su estructura superficial interna, en donde se presentan interacciones entre los compuestos orgánicos volátiles y las paredes del medio. Esta estructura se encuentra conformada por una distribución de poros de distintos tamaños, que son quienes entregan las características únicas a cada material. (Gómez et al., 2012)

La IUPAC reconoce tres tipos de poros atendiendo a su tamaño:

 Macroporos: diámetros superiores a 50 nm

 Mesoporos: diámetros comprendidos entre 2 - 50 nm

 Microporos: diámetros inferiores a 2 nm

1.7 ISOTERMAS

Describe el equilibrio de la adsorción de un material en una superficie (de modo más general sobre una superficie límite) a temperatura constante. Representa la cantidad de material unido a la superficie (el sorbato) como una función del material presente en la fase gas o en la disolución. Las isotermas de adsorción se usan con frecuencia como modelos experimentales, que no hacen afirmaciones sobre los mecanismos subyacentes y las variables medidas. Se obtienen a partir de datos de medida por medio de análisis de regresión.

La cantidad de gas adsorbido a una temperatura dada para distintas presiones relativas de gas se conoce como isoterma de adsorción.

En la caracterización de la textura porosa de un sólido los parámetros a determinar son el área superficial (o superficie específica) y el volumen y la distribución de tamaño de poros.

Para la determinación de estos parámetros se puede recurrir, entre otros, a la adsorción de un gas (N2, CO2, hidrocarburos, etc.) a temperatura constante (para N2 77K, para CO2 273K, etc.), obteniéndose así la isoterma de adsorción. Dicha isoterma puede determinarse gravimétricamente (se mide la ganancia de peso experimentada por la muestra, como consecuencia de la adsorción, a cada presión relativa de gas) y/o volumétricamente (la cantidad adsorbida se calcula

mediante la aplicación de las leyes de los gases a la presión y volumen de adsorbato antes y después de la adsorción.

El área superficial así como el volumen y distribución de tamaño de poro puede obtenerse a partir del adecuado análisis de las isotermas de adsorción, para lo cual se han desarrollado diversos métodos.

Los poros se clasifican, de acuerdo con la IUPAC, en:

 Microporos, con diámetro inferior a 2 nm.

 Mesoporos, con diámetros comprendidos entre 2 y 50 nm.

 Macroporos, con diámetros superiores a 50 nm.

 Mediante la isoterma de N2 se obtiene información de poros desde 35 Å hasta 4000 Å, mientras que con la isoterma de CO2 se obtiene información de la microporosidad más estrecha.

1.8 METODO PARA LA AGITACIÓN DE LA SOLUCIÓN

1.8.1 EL REACTOR DE TANQUE AGITADO DISCONTINUO

El reactor de tanque agitado discontinuo (batch) consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo discontinuo de mate reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida no sea demasiada viscosa.

El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior del tanque se produzca una buena mezcla de adsorbente y adsorbato, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reacción, y que no existan o queden espacios muertos.

Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perfecta, si el tiempo de circulación de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor.

En la mayoría de los trabajos publicados que contienen experimentos discontinuos son un proceso batch en el que consiste en mezclar y agitar una cantidad de adsorbente con una solución en una determinada concentración (adsorbato). Los estudios en discontinuo permiten determinar la influencia de diversos parámetros como el pH, la temperatura y el tiempo de contacto sobre el proceso de adsorción para determinar la capacidad de adsorción. (Dochain, et al.,1992).

1.9 MODELOS MATEMÁTICOS DE ADSORCIÓN 1.9.1 ECUACIÓN DE LAGMUIR

La ecuación de Langmuir o isoterma de Langmuir o ecuación de adsorción de Langmuir relaciona la adsorción de moléculas en una superficie sólida con la presión de gas o concentración de un medio que se encuentre encima de la superficie sólida a una temperatura constante.

1 𝑄_𝑒= 1

𝑄_𝑚+ 1 𝑄_𝑚𝐾_𝐿𝐶_𝑒 Donde:

𝑄_𝑒(𝑚𝑔 𝑔⁄ ) : Capacidad de adsorción en el tiempo de equilibrio 𝑄_𝑚(𝑚𝑔 𝑔⁄ ): Capacidad de adsorción máxima

𝐶_𝑒(𝑚𝑔 𝐿⁄ ): Concentración del adsorbato en equilibrio 𝐾_𝐿(𝐿 𝑚𝑔⁄ ): Constante relacionada a la energía de adsorción

1.9.2 ISOTERMA DE FREUNDLICH

Es una isoterma de adsorción, que es una curva que relaciona la concentración de un soluto en la superficie de un adsorbente, con la concentración del soluto en el líquido con el que está en contacto.

ln 𝑄_𝑒= ln 𝐾_𝐹+1 𝑛ln 𝐶_𝑒 Donde:

𝐾_𝐹, 𝑛: Son las constantes de Freundlich que son asociadas con la capacidad y intensidad de adsorción relativas, respectivamente.

ISOTERMAS DE ADSORCIÓN: CÁLCULO DE ÁREA SUPERFICIAL FUNDAMENTO DE LA TÉCNICA Y APLICACIONES

Las técnicas de adsorción para la determinación de la superficie (área BET), volumen y distribución de tamaño de poros de un material sólido se basa en los fenómenos de adsorción de gases y líquidos en la interfase entre el sólido objeto de estudio o adsorbente y el fluido que se adsorbe o adsorbato. El fluido se deposita sobre el sólido como una mono capa, cuyo grosor se va incrementando con los sucesivos aumentos de presión de equilibrio hacia la presión de saturación del fluido.

El análisis de área BET proporciona el valor del área superficial calculado por el método Stephen Brunauer, Paul Hugh Emmett, y Edward Teller. La información obtenida a partir del volumen adsorbido permite determinar el área, la distribución porosa, el tamaño y volumen de poros en la muestra.

Esta técnica se aplica cuando las muestras presentan microporos (< 2 nm) y mesoporos (2-50 nm).

El método BET implica la determinación de la cantidad de gas adsortivo necesario para cubrir las superficies de poros internas accesibles y las externas con una monocapa completa de adsorbato. Los poros inaccesibles no se detectan. Esta capacidad de monocapa se puede calcular a partir dela isoterma de adsorción utilizando cualquier gas siempre y cuando adsorba físicamente mediante fuerzas débiles de van der Waals en la superficie del sólido y se pueda desorber mediante un descenso de la presión.

La ecuación característica para este modelo es:

𝑃

𝑉(𝑃₀− 𝑃)= 1

𝑉𝑚𝐶+𝐶 − 1 𝑉𝑚𝐶 ∗ 𝑃

𝑃₀ Donde:

P: Presión Absoluta P0: Presión de Saturación

V: Cantidad de soluto adsorbida, cm³

Vm: Adsorcion máxima, cuando se forma la monocapa C: Constante

TIPOS DE ISOTERMAS:

De la figura 1.4:

La isoterma tipo I se caracteriza porque la adsorción se produce a presiones relativas baja. Característica de los sólidos microporosos.

La isoterma tipo II es característica de sólidos macroporosos o no porosos, tales como negros de carbón.

La isoterma tipo III ocurre cuando la interacción adsorbato-adsorbente es baja.

Ejemplo: adsorción de agua en negros de carbón grafitizados.

La isoterma tipo IV es característica de sólidos mesoporosos. Presenta un incremento de la cantidad adsorbida importante a presiones relativas intermedias, y ocurre mediante un mecanismo de llenado en multicapas.

La isoterma tipo V, al igual que la isoterma tipo III, es característica de interacciones adsorbato-adsorbente débiles, pero se diferencia de la anterior en que el tramo final no es asintótico.

La isoterma tipo VI es poco frecuente. Este tipo de adsorción en escalones ocurre sólo para sólidos con una superficie no porosa muy uniforme. Ejemplo:

adsorción de gases nobles en carbón grafitizado.

FIGURA 1.4: TIPOS DE ISOTERMAS FUENTE: (Gómez et al., 2012)