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REMOCIÓN DE HIERRO DE LAS AGUAS ACIDAS DE LA MINA CARHUACAYÁN MEDIANTE EL
COAGULANTE DEL CACTÁCEO Opuntia floccosa A NIVEL DE LABORATORIO.
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO AMBIENTAL
PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:
CAPARACHIN QUIÑONEZ, KATERIN ESTEFANY SALAS ESCOBAR, IVÁN JESÚS
HUANCAYO – PERU
2017
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ASESORA:
Dra. GLADYS MARITZA ÁVILA CARHUALLANQUI
iii DEDICATORIA
A mis padres Vicente Caparachin G. y Margot Quiñonez U. Por ser los pilares fundamentales en mi formación como persona, en mi educación académica y de la vida, porque me apoyaron incondicionalmente en todo momento facilitándome el camino para alcanzar esta meta en mi vida profesional. A mi hermana Betzi Caparachin Q. por lo especial que es para mí. A mi abuelita Basilia, aunque no está físicamente con nosotros, pero sé que desde el cielo siempre me cuida.
Katerin Estefany
A Jorge y Julia, mis padres, por su ejemplo, esfuerzo, apoyo y comprensión me guiaron para superarme y seguir adelante en cada paso de mi vida. A mi hijo por ser la fuente inagotable de fortaleza y motivación. A ustedes quienes me ayudaron a lograr mis metas.
Iván Jesús
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AGRADECIMIENTO
A nuestro señor por permitirnos estar en este punto y darnos vitalidad para alcanzar nuestros objetivos.
A nuestros padres por el apoyo en todo momento, por darnos una excelente educación en el lapso de nuestras vidas y sobre todo porque son un ejemplo a seguir.
A nuestros hermanos por ser el ejemplo de la cual aprendimos aciertos y de momentos difíciles. A nuestros abuelos, tíos, primos y demás familiares por sus consejos y motivaciones de seguir adelante con nuestra carrera. A todas las personas que nos apoyaron directa o indirectamente en la elaboración de esta tesis.
A la Dra. Gladys M. Ávila Carhuallanqui por confiar en nosotros, brindarnos la oportunidad de desarrollar nuestra tesis y por todo el apoyo en todo el proceso de este proyecto.
A los ingenieros de la facultad de Ingeniería Química por brindarnos sus conocimientos, por los momentos compartidos y por impulsarnos en nuestra formación profesional.
A la Ing. Carmen Velit Villareal jefa de laboratorio de Análisis Químico de la facultad de Ingeniería Química, por el servicio brindado y la disposición del equipo de Prueba de Jarras.
Al jefe de laboratorio de Análisis de Agua de la Universidad Nacional Del Centro Del Perú por darnos la facilidad en el uso del laboratorio y los equipos.
A la facultad de Ingeniería En Industrias Alimentarias por brindarnos su apoyo en los usos de sus laboratorios y equipos.
v RESUMEN
La presente tesis titulada “Remoción de hierro de las aguas acidas de la mina Carhuacayán mediante el coagulante del cactáceo Opuntia floccosa a nivel de laboratorio” tiene como objetivo remover el hierro de las aguas acidas de la mina Carhuacayán mediante el coagulante del cactáceo Opuntia floccosa. En la parte experimental se extrajo el coagulante del cactáceo Opuntia floccosa. Sometiéndolo a cambios empleando las operaciones unitarias como secado, molido, tamizado. Posterior a eso se extrajo los pigmentos utilizando como solvente el etanol. El material ya sin pigmentos se pasó a macerar con agua destilada, para luego filtrar el gel de la fibra presente en el material. Una vez obtenido el gel es liofilizado, consiguiéndose un producto en polvo cuyas características son de color marfil, soluble en agua cuya consistencia es gomosa.
El producto obtenido se llevó a una prueba de análisis proximal y espectrofotometría infrarroja para su respectiva identificación donde se estableció su contenido en humedad, fibra, proteínas, ceniza, grasa, carbohidratos y sus grupos funcionales respectivamente.
Se utilizó el coagulante extraído de la Opuntia floccosa para el tratamiento de las muestras de las aguas acidas de la mina Carhuacayán, tomadas en la bocamina nivel 1300. Se halló la concentración adecuada de coagulante mediante la prueba de jarras, que requirió un volumen de muestra de 1 litro de agua en cada vaso de precipitación. El diseño experimental de la investigación es un arreglo factorial con DCA de 2 x 7, con dos repeticiones. Los niveles de tiempo de coagulación fueron: 2 𝑚𝑖𝑛 y 5 𝑚𝑖𝑛, los niveles de concentración de coagulante fueron: 10 𝑝𝑝𝑚, 20 𝑝𝑚𝑚, 30 𝑝𝑝𝑚, 40 𝑝𝑝𝑚, 50 𝑝𝑝𝑚, 60 𝑝𝑝𝑚 y 70 𝑝𝑝𝑚. En total se realizaron 14 experimentos con su repetición, donde se dio los procesos de coagulación a 100 𝑟𝑝𝑚, floculación a 50 𝑟𝑝𝑚 por 15 𝑚𝑖𝑛 y sedimentación por 60 𝑚𝑖𝑛. Los datos recopilados durante la prueba de jarras fueron tabuladas y graficadas, esta información se utilizó para hallar
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la eficiencia del coagulante al remover el hierro, asimismo las concentraciones finales de hierro se compararon con los Estándares de Calidad Ambiental para Agua - Categoría 3, D.S. N° 015 - MINAM.
A partir de los resultados, se concluyó que, mediante dichas condiciones trabajadas durante toda la prueba, se consiguió remover el hierro en un porcentaje significativo de 91,729%. De los datos experimentales, se comprobó que utilizando la concentración de coagulante de 20 𝑝𝑝𝑚 en un tiempo de coagulación de 5 𝑚𝑖𝑛 se tiene el mayor porcentaje de remoción.
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INTRODUCCIÓN
El trabajo de explotación minera a nivel mundial para la extracción de materia prima como es el mineral en bruto o roca mineralizada, han sido y serán siendo de interés económico, generando desde hace siglos, enormes impactos ambientales, que solo hasta hace pocos años comenzaron a ser investigados y considerados con mayor gravedad. El drenaje acido de mina (DAM) que se forma a partir de los sulfuros metálicos oxidados, principalmente los de hierro como la pirita (𝐹𝑒𝑆2) al entrar en contacto con el oxígeno atmosférico y agua, son el mayor problema y pasivo ambiental inducido por la industria minera, esencialmente para las corrientes de agua natural.
Esta industria es viable para originar un impacto fatal a largo plazo en los ríos, arroyos y vidas acuáticas por ser generadora de ácido.
En el Perú el problema del drenaje acido de mina (DAM) se establece en el ámbito social generando un gran impacto en la actividad minera del país. Lo complicado se halla en las numerosas minas antiguas, que existieron antes de los años 2000, dejando grandes pasivos mineros que han estado contaminando de poco en poco los recursos hídricos, los medios en que se encuentra y sus entornos.
El Banco Mundial en el año 2005 presento un informe sobre los problemas en el medio ambiente a causa del sector minero en el Perú, donde dio a conocer las ciudades con demasiados pasivos ambientales mineros estos sin remediar a nivel nacional, quedando el Distrito de Santa Bárbara de Carhuacayán, en un cuarto lugar. A causa de los vacíos legales que existía en el país hasta el año 1990, año que recientemente se crearon las primeras normas ambientales por el estado para los pasivos mineros, han facilitado que varias empresas mineras esquiven sus obligatoriedades ambientales, siendo el caso de la ex unidad minera Carhuacayán donde el drenaje acido de mina dañan los ríos de su alrededor y la cuenca del Rio Mantaro.
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Esta investigación propone la utilización de coagulantes naturales extraídos de Cactáceos como una alternativa orientada a mejorar la calidad del agua. Se eligió el cactáceo Opuntia floccosa por dos razones principales: primero, porque no influye en la cadena alimentaria de la región y segundo, el coagulante extraído no constituye ningún riesgo para la vitalidad del ser humano, ni preocupaciones de contaminación, incluyendo que, por parte de la región los intereses tomados han sido nulas para examinar y estudiar este agente coagulante presente en el cactáceo Opuntia floccosa. La importancia de esta tesis se da en poder sentar las bases para la remoción del hierro mediante el uso de este coagulante natural, buscando mejorar la calidad de vida en comunidades donde las contaminaciones por causa de los pasivos mineros son muy elevadas y al tener pocas posibilidades, de acceder a tecnologías convencionales puedan utilizar recursos de la región.
El presente informe cuenta con 3 capítulos, en el primer capítulo se detalla la revisión bibliográfica realizada donde se presenta los antecedentes de la investigación, bases teóricas y conceptuales; el segundo capítulo involucra la parte experimental y en el tercer capítulo se presenta el tratamiento de datos y discusión de resultados. Finalmente, se detallan las conclusiones y recomendaciones.
9 OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Remover el hierro de las aguas acidas de la mina Carhuacayán mediante el coagulante del cactáceo Opuntia floccosa a nivel de laboratorio.
OBJETIVO ESPECÍFICOS
Analizar las aguas acidas de la mina Carhuacayán.
Caracterizar el coagulante.
Determinar la concentración adecuada de coagulante para remover el hierro de las aguas acidas de la mina Carhuacayán mediante el método de prueba de jarras.
Determinar el tiempo adecuado de coagulación para remover el hierro de las aguas acidas de la mina Carhuacayán mediante el método de prueba de jarras.
Determinar la concentración de hierro de las aguas acidas de la mina Carhuacayán después del tratamiento con el coagulante del cactáceo Opuntia floccosa.
10 SIMBOLOGÍA
NTU = Unidades Nefelométricas de turbidez
UC = Unidades de color
𝑝𝑝𝑚 = Partes por millón
Fe𝑆2 = Pirita
O2 = Oxigeno
𝐻2𝑂 = Agua
𝐹𝑒3+ = Ion férrico
𝐹𝑒2+ = Ion ferroso
𝑆04 2− = Sulfato
𝐻+ = Ion Hidrogeno
𝐹𝑒(𝑂𝐻3) = Hidróxido Férrico
𝐹𝑒2𝑂3 = Hematita
𝐹𝑒2𝑂33𝐻2𝑂 = limonita
𝐹𝑒3𝑂4 = Magnetita
𝐹𝑒𝐶𝑂3 = Siderita o mineral de hierro espático
𝐹𝑒𝑆 = Pirrotita o pirita magnética
𝑁𝑎+ = Ion Sodio
𝐾+ = Ion Potasio
𝐶𝑎++ = Ion Calcio
𝑀𝑔++ = Ion Magnesio
𝑅𝑃𝑀 = Revoluciones por minuto
𝑀10,𝐴,𝐼 = Muestra Original con 10 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀10,𝐵,𝐼 = Muestra Original con 10 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀20,𝐴,𝐼 = Muestra Original con 20 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀20,𝐵,𝐼 = Muestra Original con 20 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀30,𝐴,𝐼 = Muestra Original con 30 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀30,𝐵,𝐼 = Muestra Original con 30 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀40,𝐴,𝐼 = Muestra Original con 40 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀40,𝐵,𝐼 = Muestra Original con 40 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀50,𝐴,𝐼 = Muestra Original con 50 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀50,𝐵,𝐼 = Muestra Original con 50 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀60,𝐴,𝐼 = Muestra Original con 60 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀60,𝐵,𝐼 = Muestra Original con 60 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de
11 tiempo de coagulación.
𝑀70,𝐴,𝐼 = Muestra Original con 70 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀70,𝐵,𝐼 = Muestra Original con 70 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀10,𝐴,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 10 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀10,𝐵,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 10 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀20,𝐴,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 20 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀20,𝐵,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 20 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀30,𝐴,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 30 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀30,𝐵,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 30 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀40,𝐴,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 40 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀40,𝐵,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 40 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀50,𝐴,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 50 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀50,𝐵,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 50 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀60,𝐴,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 60 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀60,𝐵,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 60 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀70,𝐴,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 70 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 2 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝑀70,𝐵,𝐼𝐼 = Muestra Replica con 70 𝑝𝑝𝑚 de coagulante, 5 𝑚𝑖𝑛 de tiempo de coagulación.
𝐶1 = Concentración Inicial
𝑉1 = Volumen inicial
𝐶2 = Concentración final
𝑉2 = Volumen final
𝐿 = Litro
𝑔 = Gramo
𝑚𝑖𝑛 = Minuto
𝑚𝑙 = Mililitro
𝑐𝑚 = Centímetro
𝐾𝑔 = Kilogramo
FT − IR = Espectrofotometría Infrarrojo 𝑐𝑚−1 = Centímetros recíprocos
12
Yijk =
Valor o % de remoción observado con el ί-esimo nivel del factor A (Concentración de coagulante), j-esimo nivel del factor B (Tiempo de coagulación), k-esimo repetición.
= Efecto de la media general.
i = Efecto del i-esimo nivel del factor A (Concentración de coagulante).
j = Efecto del j- esimo nivel del factor B (Tiempo de coagulación).
()ij = Efecto de la interacción en el i-esimo nivel del factor A, j- esimo nivel del factor B.
eijk = Efecto del error experimental en el i-esimo nivel del factor A, j-
p = Número de niveles del factor A
q = Número de niveles del factor B.
𝑟𝑖𝑗 = Número de repeticiones en el i- esimo nivel del factor A, j- esimo nivel del factor B
[ ]1, [ ]2……. [ ]7 = Concentración del coagulante
Ө1y Ө2 = Tiempo de coagulación
A111, A112, ……., A722 = % de remoción de hierro
𝐻𝑝 = Prueba de hipótesis planteada
𝐻𝑎 = Prueba de hipótesis alterna
𝐶𝐻𝑒 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = Concentración de hierro inicial
𝐶𝐻𝑒 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = Concentración de hierro final
13 ÍNDICE
DEDICATORIA ... III
AGRADECIMIENTO ... IV RESUMEN ... V
INTRODUCCIÓN ... 7
OBJETIVOS ... 9
OBJETIVOGENERAL ... 9
OBJETIVOESPECÍFICOS ... 9
SIMBOLOGÍA ... 10
ÍNDICE ... 13
ÍNDICE DE TABLAS ... 20
ÍNDICE DE FIGURAS ... 22
ÍNDICE DE GRAFICAS ... 22
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS ... 23
CAPITULO I ... 24
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ... 24
1.1ANTECEDENTES ... 24
1.2BASESTEÓRICASQUEFUNDAMENTANLAINVESTIGACIÓN ... 27
1.2.1 El agua. ... 27
14
1.2.2 Agua contaminada. ... 28
a) Contaminación física. ... 28
b) Contaminación química. ... 28
c) Contaminación biológica. ... 28
1.2.3 Aguas acidas y drenaje acido de mina. ... 29
a) Formación de aguas acidas. ... 29
b) Reacciones químicas y biológicas en la formación de aguas acidas. ... 30
c) Etapas en la formación de aguas acidas. ... 32
I Etapa. ... 33
II Etapa. ... 33
III Etapa. ... 33
1.2.4 Metal pesado. ... 34
a) Hierro. ... 34
b) Tipos de hierro. ... 34
Ferroso. ... 34
Férrico. ... 35
Hierro bacterial ... 35
c) Toxicidad. ... 35
d) Normatividad. ... 35
1.2.5 Sulfuros metálicos. ... 37
1.2.6 Unidad Minera Carhuacayán. ... 38
1.2.7 Suspensiones coloidales. ... 38
a) Propiedades. ... 38
15
b) Teoría de la doble capa. ... 39
c) Potencial Z. ... 39
d) Aplicación del potencial zeta en la coagulación del agua. ... 39
1.2.8 Coagulante. ... 40
a) Características de los coagulantes. ... 40
b) Clasificación de los coagulantes. ... 40
c) Coagulantes naturales. ... 42
d) Principales características de la Opuntia floccosa. ... 42
1.2.9 Coagulación. ... 43
1.2.10 Fenómeno de la coagulación. ... 43
a) Modelo físico. ... 43
Estabilidad e inestabilidad de las soluciones coloidales. ... 44
Coagulación por comprensión de la doble capa. ... 45
Coagulación por adsorción y neutralización de la carga. ... 45
b) Modelo químico. ... 46
Fases de la coagulación. ... 46
1.2.11 Floculación. ... 47
a) Mecánica de la floculación. ... 47
Floculación pericinética o browniana. ... 48
Floculación ortocinética o gradiente de velocidad. ... 48
Sedimentación diferencial. ... 48
1.2.12 Sedimentación. ... 48
a) Formas de sedimentación. ... 49
16
Sedimentación de partículas discretas. ... 49
Sedimentación de partículas floculentas. ... 49
Sedimentación por caída libre e interferida. ... 49
1.2.13 Prueba de jarras. ... 50
a) Descripción del equipo de prueba de jarras. ... 50
1.2.14 Liofilización ... 51
1.2.15 Análisis de espectrometría en el infrarrojo. ... 51
a) Análisis cualitativo... 51
CAPITULO II ... 53
PARTE EXPERIMENTAL ... 53
2.1EQUIPOS,MATERIALESYREACTIVOS ... 53
2.1.1 Equipos de laboratorio. ... 53
2.1.2 Materiales de laboratorio. ... 54
2.1.3 Reactivos. ... 55
METODOLOGIA DESARROLLADA ... 55
2.2OBTENCIONDELCOAGULANTEDELOPUNTIA FLOCCOSA ... 55
2.2.1 Muestreo del cactáceo. ... 55
2.2.2 Identificación taxonómica. ... 56
2.2.3 Obtención del coagulante natural. ... 56
2.2.4 Análisis químico proximal del coagulante del Opuntia floccosa. ... 59
2.2.5 Análisis de espectrofotometría infrarroja del coagulante del Opuntia floccosa. ... 59
17
2.3REMOCIONDEHIERRODELASAGUASACIDASDELAMINA
CARHUACAYÁNMEDIANTEELCOAGULANTEDELCACTACEOOPUNTIA FLOCCOSA
ANIVELLABORATORIO ... 59
2.3.1 Muestreo de agua. ... 59
2.4DISEÑOEXPERIMENTAL ... 60
2.4.1 Variables Constantes. ... 60
2.4.2 Variables independientes. ... 60
2.4.3 Matriz de diseño. ... 61
2.5PROCEDIMIENTOPARALAUTILIZACIONDELEQUIPODEJARRASCONEL COAGULANTEDELOPUNTIA FLOCCOSA ... 63
2.5.1 Preparación de la solución inicial. ... 63
2.5.2 Procedimiento para la coagulación floculación en el equipo de prueba de jarras.63 2.5.3 Sedimentación. ... 64
2.5.4 Determinación de hierro. ... 64
2.6TRATAMIENTOESTADISTICO ... 64
CAPITULO III ... 65
TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 65
3.1PRESENTACION,ANALISISEINTERPRETACIONDELOSDATOS ... 65
3.1.1 Obtención del coagulante del Cactáceo Opuntia floccosa. ... 65
3.1.2 Extracción de pigmentos en el equipo soxhlet. ... 66
3.1.3 Maceración. ... 67
3.1.4 Balance de masa en la extracción del coagulante. ... 68
3.2CARACTERIZACIÓNDELCOAGULANTE... 69
18
3.2.1 Análisis químico proximal del coagulante del cactáceo Opuntia floccosa. ... 69
3.2.2 Análisis de espectrofotometría infrarroja del coagulante del Opuntia floccosa. ... 70
3.3RESULTADOSDELAEFICIENCIADELCOAGULANTEDELOPUNTIA FLOCCOSA ENELAGUAACIDADELAMINACARHUACAYÁNANIVELLABORATORIO ... 71
3.3.1 Caracterización de las aguas acidas de la mina Carhuacayán. ... 71
3.3.2 Evaluación de la reducción de hierro. ... 72
a) Coagulación. ... 72
Tiempo de coagulación 2 𝒎𝒊𝒏. ... 72
Tiempo de coagulación 5 𝒎𝒊𝒏. ... 72
3.4ANOVADELASVARIABLESINDEPENDIENTES(CONCENTRACIÓNDE COAGULANTEYTIEMPODECOAGULACION) ... 76
3.4.1 Experimento factorial p x q ... 76
a) Modelo aditivo lineal. ... 76
b) Prueba de hipótesis para las concentraciones de coagulantes. ... 79
c) Prueba de hipótesis para los tiempos de coagulación. ... 81
d) Prueba de hipótesis para la Interacción concentraciones de coagulantes y tiempos de coagulación. ... 82
CONCLUSIONES ... 86
RECOMENDACIONES ... 88
ANEXOS ... 92
ANEXOA:FOTOGRAFIAS ... 93
ANEXOB:INFORMEDEENSAYOINICIALDELASAGUASACIDAS. ... 102
ANEXOC:CONSTANCIATAXONÓMICA... 104
19
ANEXOD:CÁLCULOSDECONCENTRACIÓNDECOAGULANTE ... 105 ANEXOE:CÁLCULOSDE%REMOCIÓNDEHIERRO ... 106 ANEXOF:INFORMEDEANALISISPROXIMAL ... 107 ANEXOG:INFORMEDEENSAYODEESPECTROFOTOMETRIAINFRARROJA . 108 ANEXOH:INFORMEDEENSAYODEESPECTROFOTOMETRIAINFRARROJA . 109 ANEXOI:TABLAABREVIADADELASFRECUENCIASDEGRUPOSORGÁNICOS
... 110 ANEXOJ:REPORTEFINALDEANALISISDEHIERROENLASMUESTRASDE
AGUAACIDASDEMINA. ... 111 ANEXOK:REPORTEFINALDEANALISISDEHIERROENLASMUESTRASDE
AGUAACIDASDEMINA. ... 112 ANEXOL:DECRETOSUPREMON°015-MINAM ... 113 ANEXOM:DECRETOSUPREMON°010-MINAM ... 120
20
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Sulfuros metalicos ... 37
Tabla 2. Niveles máximos permisibles de emisión para las unidades minero-metalúrgicas ... 36
Tabla 3. Estándares de calidad del agua categoría 3 ... ¡Error! Marcador no definido. Tabla 4. Tipos de coagulantes. ... 41
Tabla 5. Variables constantes ... 60
Tabla 6. Variable independiente concentración de coagulante ... 60
Tabla 7. Variable independiente tiempo de coagulación ... 61
Tabla 8. Matriz de diseño ... 62
Tabla 9. Peso de las muestras sin espinas, gloquidios y lavadas. ... 65
Tabla 10. Peso de las muestras sin cutícula y picadas. ... 65
Tabla 11. Peso de las muestras secas. ... 66
Tabla 12. Peso de las muestras molidas. ... 66
Tabla 13. Peso de las muestras tamizadas. ... 66
Tabla 14. Peso de los cartuchos después de la extracción, secado y la cantidad de agua agregada ... 67
Tabla 15. Balance de masa por operación ... 68
Tabla 16. Representación del análisis químico proximal del coagulante del Opuntia floccosa ... 69
Tabla 17. Representación del FT-IR coagulante del Opuntia floccosa ... 70
Tabla 18. Promedios de los parámetros de campo del agua acida de la mina Carhuacayán. ... 71
Tabla 19. Concentración de hierro en un tiempo de coagulación de 2 𝑚𝑖𝑛. ... 72
Tabla 20. Concentración d hierro en un tiempo de coagulación de 5 𝑚𝑖𝑛 ... 73
21
Tabla 21. Porcentaje de remoción de hierro en tiempo de coagulación de 2 𝑚𝑖𝑛 y 5 min ... 74 Tabla 22. Esquematización del diseño estadístico DCA con arreglo factorial de 7 x2 con 2 repeticiones, aplicado a la investigación. ... 77 Tabla 23. Resultados correspondientes al % de remoción de Hierro en los siete tratamientos de la muestra de agua acida de la mina Carhuacayán. ... 78 Tabla 24. Análisis de varianza para % de remoción Hierro ... 79 Tabla 25. Prueba de comparaciones múltiples de tukey a una confianza de 95%. Resultados del % de remoción de hierro a diferentes concentraciones de coagulantes. ... 80 Tabla 26. Prueba de comparaciones múltiples de tukey a una confianza de 95%. Resultados del % de remoción de hierro a diferentes tiempos de coagulacion. ... 81 Tabla 27. Prueba de comparaciones múltiples de tukey a una confianza de 95%. Resultados del % de remoción de hierro para la interacción concentraciones de coagulantes y tiempo de coagulación. ... 83
22
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Formación de aguas acidas (Aduvire y colaboradores, 1997) ... 30 Figura 2. Teoría de las fuerzas electromagnéticas (Arboleda Valencia, 2000)... 44 Figura 3. Composición de fuerzas electroestáticas de repulsión y de atracción (Arboleda Valencia, 2000) ... 45 Figura 4. Modelo esquemático de la coagulación (Arboleda Valencia, 2000) ... 47
ÍNDICE DE GRAFICAS
Grafico 1. Representación de concentración de hierro en función de la concentración del coagulante en tiempo de coagulación de 2 𝑚𝑖𝑛 y 5𝑚𝑖𝑛 ... 73 Grafico 2. Representación de concentración de coagulante en función de % de remoción de hierro en tiempo de coagulación de 2 min y 5 min. ... 75 Grafico 3. Media de las prueba de múltiples comparaciones, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para las diferentes concentraciones de coagulantes. ... 80 Grafico 4. Media de las prueba de múltiples comparaciones, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para los diferentes tiempos de coagulación. ... 82 Grafico 5. Media de las prueba de múltiples comparaciones, para determinar la diferencia entre pares de muestras, para la interacción concentraciones de coagulantes y tiempo de coagulación. ... 84
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ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1. Acopalca, Huancayo, Junín. ... 93 Fotografía 2. Cactáceo Opuntia floccosa. ... 93 Fotografía 3. Muestras de cactáceos. ... 94 Fotografía 4. Muestras de cactáceos sin espinas y gloquidios. ... 94 Fotografía 5. Muestras de cactáceos sin cutícula, cortados de 1𝑐𝑚 x 1 𝑐𝑚. ... 95 Fotografía 6. Muestras del cactáceo secos. ... 95 Fotografía 7. Cactáceos molidos. ... 96 Fotografía 8. Cactáceos tamizados. ... 96 Fotografía 9. Extracción de pigmentos y clorofila del cactáceo. ... 97 Fotografía 10. Maceración del material activo. ... 97 Fotografía 11. Evaporación al vacío en el equipo de liofilización. ... 98 Fotografía 12. Obtención del coagulante. ... 98 Fotografía 13. Bocamina Nivel 1300 - Mina Carhuacayán. ... 99 Fotografía 14. Equipo de Jarras con las muestras. ... 99 Fotografía 15. Tesistas alistando el coagulante. ... 100 Fotografía 16.Aguas tratadas listas para la sedimentación. ... 100 Fotografía 17. Muestras de aguas libres de Hierro. ... 101 Fotografía 18. Muestras de aguas para sus respectivos análisis después de ser tratadas. ... 101
24 CAPITULO I
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1 ANTECEDENTES
Vázquez Gonzales, Osvaldo (1994) en su tesis titulada: “Extracción de coagulantes naturales del nopal y aplicación en la clarificación de aguas superficiales” se utilizó coagulantes naturales a partir de las especies de Opuntia (nopal) como son (Opuntia imbricata y Opuntia lindheimeri), en el cual la acetona fue utilizada como solvente. Los coagulantes fueron usados en muestras de agua sintéticas con color y con metales pesados, conjuntamente con aguas residuales domésticas.
Los Análisis fisicoquímicos realizados a estos coagulantes, mostraron presencia de material orgánico y de material inorgánico como son las sales. Las cuales son trascendentales en el proceso de coagulación. Los usos que se dieron a estos coagulantes naturales fue como coagulante y coadyuvante, que se reflejaron cuando se formaron los flocs. En la muestra sintética con color que se empleó alumbre y coagulante natural la remoción de color fue de 200 a 35 unidades, lo que es un 82,5%. Para los sólidos suspendidos totales (SST) se removió un 40%. En solidos totales (ST) para Opuntia lindheimeri un 12,5% y 8,0% para Opuntia imbricata. Para las pruebas en aguas residuales que se aplicaron alumbre y coagulante natural dio un resultado de
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turbidez que inicio con 150 mg/L y finalizo con 4 mg/L. En la prueba de SST dio como resultado 95,6%; en DQO disminuyo un 40,7% con O. lindheimeri y 68,78% con O. imbricata donde se puede comprobar que la última especie es más efectiva en la remoción. Empleando el coagulante natural en la remoción de turbiedad resulto en 58% para las dos especies. Con respecto a SST cuando se utilizó O. lindheimeri se obtuvo un 33,4% y en DQO un 37,5%; mientras al utilizar O.
imbricata se removió SST 11,2% y DQO 22%. En la parte de metales pesados a un Ph de 6,5;
para el plomo se removió 83% para fierro un 80% y para el zinc un 15%. Para las pruebas con un pH de 8,5 el 78% de plomo fue removido de fierro un 86% y para el zinc 50%. Concluyendo de los resultados que la remoción de turbidez, de las dos especies de cactáceo dio lo mismo con las muestras de aguas sintéticas y aguas residuales domésticas, en la prueba de remoción de metales pesados los coagulantes los resultados mostraron eficacia en un pH alcalino, por tanto los cactus también pueden ser utilizados como coagulantes por sí solo, o trabajar conjuntamente con el alumbre con la finalidad aumentar su eficiencia.
Almendárez N. (2004) en su Trabajo de investigación titulada: “Comprobación de la efectividad del coagulante (Cochifloc) en aguas del lago de Managua (piedras azules)" se obtuvo un polímero natural llamado “Cochifloc” a partir de las pencas de la tuna (Opuntia Cochinellífera) sometiéndolas al sacado, molido y tamizado. La extracción de pigmentos se realizó con el alcohol etílico. Posterior para ser macerada con agua destilada separando la parte fibrosa del gel por filtración, el gel es evaporado al vacío donde se consiguió un polvo de color marfil. Su composición de este nuevo material se determinó por el análisis proximal encontrándose carbohidratos 55,32%, fibra 0,47%, grasa 0,47%, ceniza 38,74%, proteínas 5,0%
y humedad 7,56%. Para luego aplicar este coagulante natural primario en las muestras de agua del lago de Managua mediante el uso del equipo de jarras en la cual reside de un agitador
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múltiple de velocidad variable, comparando el Cochifloc con el sulfato de aluminio, cloruro férrico y el Quimifloc. Las condiciones del agua fueron: turbidez de 49 NTU, 199 UC y un pH de 9,14. Al comparar los resultados los coagulantes metálicos demostraron una alta eficacia. El cloruro férrico logra la mayor eliminación por turbidez en un 80,52%, y con el sulfato de aluminio se obtiene un 64,51%, una eficacia media con el coagulante natural del 42% y una baja eficiencia con el coagulante sintético del 9,41%.
Pompilio Quintana, Carlos (2013) en su tesis “Uso de coagulantes de Origen natural en el tratamiento del agua en términos de turbidez en el Rio Santa – Huaraz” recopila experiencias en lo concerniente a los tratamientos de agua usando coagulantes a partir de origen natural.
Planteándose como objetivo determinar la posibilidad técnica y ambiental de manejar coagulantes en la remoción de la turbidez de las aguas del Rio Santa. Usando tres especies de Opuntia: Opuntia imbrícala. Opuntia ficcus y Opuntia microdasys. La muestra de agua a manejar fue del Rio Santa, siendo la fuente principal de captación de agua para el consumo humano del callejón de Huaylas siendo el propósito reemplazar los productos químicos importados como el sulfato de aluminio o el floculante catiónico. Mediante el test de Jar, se determinó la dosis óptima de coagulante. Dicho coagulante se usó como coagulante y coadyuvante. Durante los experimentos el agua tratada con alumbre y coagulante natural se logró remover el color de 200 a 35 unidades representando un 82.5%, para solidos totales (ST) aplicando sulfato de aluminio fue de 15.2%, para Opuntia imbricala 13,2%, Opuntia ficcus 12,5% y Opuntia microdasys 8,6%. En la remoción de turbidez usando simplemente el coagulante natural y sin uso de sulfato de aluminio, la remoción no era la indicada por la sedimentación deficiente, los resultados obtenidos con el coagulante natural muestran que la
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mejor eficiencia es utilizando Opuntia ficcus, dando la remoción de turbidez un porcentaje de 75,4%.
Martínez García, Jasser & González Silgado Luis Enrique (2012) en su Tesis titulada
“Evaluación del poder coagulante de la tuna (Opuntia ficus indica) para la remoción de turbidez y color en aguas crudas” evaluaron al polvo derivado de la Tuna (Opuntia ficus indica) con el fin de hallar la capacidad que tiene para remover turbidez y color presentes en el agua cruda. Para obtener el coagulante color marfil, se sometió a las pencas a cambios, utilizando operaciones unitarias como extracción de cutícula, secado, triturado, tamizado y extracción de pigmentos. En la cual también se determinó su densidad a granel, pH, contenido de carbohidrato y proteínas.
Los resultados hallados durante la prueba de jarras, el coagulante natural logro una eficiencia de 84,52%, removiendo el 85,76% de turbidez y de color un 57,14% presente en el agua cruda.
Concluyendo que a partir de las pruebas se removió la turbidez y el color en porcentajes significativas, a velocidades altas de agitación se aumentó la remoción mientras que a bajas velocidades de agitación generaron flóculos de gran tamaño, también se utilizaron pequeñas dosis de coagulante natural al igual que la dosis de los coagulantes metálicos con mayor uso en la actualidad para tratamiento de agua potable.
1.2 BASES TEÓRICAS QUE FUNDAMENTAN LA INVESTIGACIÓN 1.2.1 El agua.
Agua es el nombre químico que se emplea al estado líquido del compuesto más común formado por el hidrogeno y el oxígeno. Responsable de la existencia de vida en el planeta Tierra.
La tierra está envuelto por agua calculándose que son las tres cuartas partes de la superficie, sin
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embrago del 97 % del cuerpo total de agua se encuentra en los océanos, y el 3 % es agua dulce y de esta se puede acceder únicamente el 1%. (Gil Rodriguez, 2005)
Su composición puede variar de acuerdo al origen y cause, por tanto su estado puro no es común en la naturaleza, la causa de este fenómeno está en la descarga que los cuerpos hídricos reciben a través del recorrido en la cuenca hidrográfica donde se ubican. Estas fuentes de vertimiento destacan las de origen industrial, agroindustrial y doméstico. Las sustancias que alteran la forma molecular pura del agua logran estar suspendidos o permanecer en solución de acuerdo al tamaño de disgregación del material que acarrea. (Arboleda Valencia, 2000)
1.2.2 Agua contaminada.
Es cuando su composición es alterada por una degradación rápida o lenta de su calidad, hasta no ser adecuado para su uso previsto. Los contaminantes del agua pueden proceder de varias fuentes. (Da Ros, 1995, pág. 25)
a) Contaminación física.
Es la alteración de la calidad del agua en color, turbiedad, temperatura, Olor y sabor.
b) Contaminación química.
Son de origen orgánico o inorgánico siendo las inorgánicas las más dañinas, pues alteran reacciones de tipo orgánico.
c) Contaminación biológica.
Esta se produce por la presencia de microorganismos.
29 1.2.3 Aguas acidas y drenaje acido de mina.
Los líquidos que fluyen con más importancia en la minería conciernen a drenajes ácidos de mina, estas aguas de bajo pH, sulfatadas y con alto contenido de metal. Las aguas acidas causadas por los drenajes ácidos se pueden formar en el interior como en la superficie siendo primeras fuentes contaminantes de las aguas subterráneas, de los acuíferos, o como vertientes en los cursos de agua superficial. Este problema por el drenaje acido de mina puede permanecer por décadas una vez acabado el ciclo productivo. (Aduvire, 2006)
a) Formación de aguas acidas.
Los sulfuros, en el medio ambiente, permanecen en el subsuelo en ausencia de oxígeno y solo pequeñas porciones de estos depósitos sobresalen a la superficie. Los drenajes se originan principalmente por los sulfuros que se oxidan químicamente, al entrar en contacto con el oxígeno derivado del aire o de procedencia química, el agua en estado vapor o líquido y en otros casos por la existencia de bacterias siendo como un catalizador. La velocidad de reacción es una variable muy trascendental, ya que si la formación del agua acida suceden lentamente las consecuencias en el medio logran ser despreciables, y si es rápido el problema aumenta produciéndose la contaminación. La formación del drenaje acido se logra manifestar al reaccionar la pirita (𝐹𝑒𝑆2), siendo este mineral el más habitual y el principal productor de aguas acidas. La pirita al oxidarse sigue otros caminos los cuales involucran contacto con oxígeno (𝑂2) disuelto, (𝐹𝑒3+) y otros minerales catalizadores. (Aduvire, 2006)
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Figura 1. Formación de aguas acidas (Aduvire y colaboradores, 1997)
b) Reacciones químicas y biológicas en la formación de aguas acidas.
Las aguas acidas generadas y su interrupción son el efecto de una serie de reacciones químicas relacionando los elementos esenciales que actúan en la formación de las aguas acidas siendo:
Minerales sulfurosos.
Bacterias y temperatura.
Agua o humedad de la atmosfera.
Un oxidante, oxigeno proveniente del aire o de procedencia química.
La eliminación del oxígeno o de la humedad interrumpirá la acides, y la actividad bacteriana es significativo acelerando la velocidad en la generación de los efluentes ácidos, la inhabilitación de estos factores reducirá la velocidad de formación de efluentes ácidos. (Aduvire, 2006)
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La generación de las aguas acidas se originas de las siguientes reacciones iniciándose por la oxidación de la pirita y siendo este uno de los sulfuros minerales más comunes. (Nordstrom &
Alpers, 1999)
Reacción general del proceso de formación de drenaje acido
Fe𝑆2 +72 O2 + 𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒2++ 2𝑆04 2−+ 2𝐻+ (1)
La primera reacción muestra la oxidación del sulfuro mineral, formándose el hierro (ion ferroso), sulfato e hidrogeno. Estos compuestos disueltos 𝐹𝑒2+, 𝑆04 2− e 𝐻+ constituyen el aumento de sólidos totales disueltos y del acides del agua. Asociado a una disminución de pH.
El ambiente al ser bastantemente oxidante, dependiendo de la concentración de O2 , pH mayor a 3,5 y la actividad bacteriana, el ion ferroso se oxidara a iones férricos.
𝐹𝑒2++14 O2 + 𝐻+ → 𝐹𝑒3++12𝐻2𝑂 (2)
Si la reacción (2) está bajo muchas condiciones será el limitante en la oxidación de la pirita ya que la transformación del ion ferroso a férrico es lenta si el pH es menor a 5 en medios abióticas.
En pH de 3,5 y 4,5 el ion férrico es catalizado por la bacteria Metallogenium, si el pH es menor de 3,5 la reacción es catalizada por la bacteria Thiobacillus ferrooxidans. A pH de 2,3 y 3,5 por hidrolisis el ion férrico precipita como hidróxido 𝐹𝑒(𝑂𝐻3) con las características de solidos de color amarillo, naranja o rojo, dejando poco 𝐹𝑒3+ en solución y generando una baja del pH.
(Nordstrom & Alpers, 1999)
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𝐹𝑒3++ 3𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3(𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜) + 3𝐻+ (3)
Si el pH está por debajo de 2, la hidrolisis férrica como el 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3 no seran estables y algunos cationes férricos (𝐹𝑒3+) de la reacción (2) que no precipitan en la solución como 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3 , pueden seguir contribuyendo a la oxidación de la pirita para formar de nuevo iones ferrosos, sulfato e hidrogeno.
Fe𝑆2 + 14𝐹𝑒3++ 8𝐻2𝑂 → 15𝐹𝑒2++2𝑆04 2−+ 16𝐻+ (4)
Con estas reacciones básicas simplificadas, podemos asumir la generación del acides del agua que produce el hierro dela pirita que eventualmente precipito en 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3 , representando la siguiente reacción global de oxidación de la pirita que se obtiene de la combinación de las reacciones (1), (2) y (3):
Fe𝑆2 +154 𝑂2+72𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3+2𝑆04 2−+ 4𝐻+ (5)
La reacción final para estabilizar el ion férrico que actúa como oxidante de la pirita, será:
Fe𝑆2 +158 𝑂2+132 𝐹𝑒3++174 𝐻2𝑂 →152 𝐹𝑒2++ 2𝑆04 2−+172 𝐻+ (6)
c) Etapas en la formación de aguas acidas.
El drenaje acido de mina se observa como un proceso en tres etapas, donde el ambiente de los minerales sulfurados es especificado por el pH del agua. (Aduvire, 2006)
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I Etapa. La acidez es generada y rápidamente neutralizada, mientras se origina la oxidación de los minerales sulfurados liberan hierro ferroso en ambientes neutros y se oxidara químicamente transformándose a hierro férrico que precipita como hidróxido. La alcalinidad es suficiente para neutralizar la acidez por la existencia de minerales carbonatados, siendo el caso de la calcita presente en la roca, neutralizando la acidez un pH>7 que van de neutras a alcalinas, el agua que fluye sobre la roca, detectándose asimismo el contenido elevado de calcio o magnesio a causa de los minerales carbonatados disueltos, por el consumo de ácido. La velocidad de oxidación química de la pirita es baja, en cambio la oxidación química del hierro ferroso es rápida a un pH mayor a 7. Esta etapa se identifica por tener niveles altos de sulfato, con pH cercano al neutro. (Aduvire, 2006)
II Etapa. La acidez acumulada es mucho mayor a la capacidad de neutralización del medio agotándose o volviéndose inaccesibles los minerales carbonatados, y el pH baja hasta 4.5 por lo que ocurre reacciones de oxidación tanto química como biológica predominando la oxidación por bacterias. La reacción origina al sulfato ferroso, al ser oxidado se convierte en sulfato férrico de nuevo, este al entrar en contacto con el agua da origen al ácido sulfúrico y al hidróxido férrico, siendo insolubles provocando el color amarillo de las aguas. Esta etapa se caracteriza por reducir la eficacia del mecanismo directo que es la oxidación por el aire y acrecienta mucho la del indirecto. (Aduvire, 2006)
III Etapa. Las reacciones de oxidación catalizadas por bacterias se incrementan.
Produciéndose hierro ferroso que se oxida biológicamente a hierro férrico, convirtiéndose en el oxidante dominante sustituyendo al oxígeno. En esta etapa la velocidad de oxidación es más rápido que la etapa I. (Aduvire, 2006)
34 1.2.4 Metal pesado.
a) Hierro.
Elemento químico de símbolo Fe, número atómico 26 y peso atómico 55.847 𝑚𝑜𝑙𝑔 . El hierro en la corteza terrestre ocupa un cuarto lugar de los elementos más abundantes que representa un (5%). El segundo metal más abundante y componente de la corteza terrestre (cerca del 4,7% de la corteza de la Tierra es hierro). La Tierra al moverse genera un campo magnético ya que su núcleo está formado principalmente por hierro y níquel. El metal hierro tiene propiedades ferromagnéticas, de color negro lustroso o gris azulado, es dúctil, maleable, tenaz, es considerablemente duro y pesado, asimismo se oxida al contacto con el aire. Los minerales principales del hierro son la hematita, 𝐹𝑒2𝑂3 y la limonita, 𝐹𝑒2𝑂33𝐻2𝑂 .La pirita 𝐹𝑒𝑆2 se explotan como minerales de azufre. En otros minerales el hierro es localizado también en las aguas freáticas inclusive en la hemoglobina roja de la sangre. El desarrollo del hierro (fierro) más conocido es en la producción de aceros estructurales, también en producciones grandes de hierro fundido y de hierro forjado. (Gunnar, 1998)
b) Tipos de hierro.
Los compuestos de hierro en su mayoría están presentes como ion ferroso, hierro (II), o el ion férrico, hierro (III), como una unidad distinta. Las formas principales de hierro son tres.
(Valencia Espinoza, 2005)
Ferroso. Este tipo de hierro al no ser visible en el agua es llamado “hierro de agua transparente”. Encentrándose en aguas que no contienen oxígeno, como por ejemplo aguas de pozos hondos y aguas que se encuentran debajo de la tierra. El hierro en la tierra reacciona con el dióxido de carbono formando bicarbonatos de hierro que son
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solubles en el agua. Produciendo iones ferrosos (Fe++) en el agua, generalmente los compuestos ferrosos tienen la característica de color amarillo claro hasta café verdoso oscuro.
Férrico. Conocido como “agua roja de hierro”. básicamente de la oxidación, este tipo de hierro se da del hierro ferroso por estar expuesto al oxígeno, y así formar los iones férricos (Fe+++). Generalmente son visibles estas partículas oxidadas en agua servida.
El ion férrico, al tener una alta carga de (3+) y su tamaño pequeño, posee una fuerte tendencia a capturar aniones.
Hierro bacterial. La bacteria del hierro aborda a distintos sistemas de agua que existe alrededor del mundo. Provocando en ciertos lugares un gran daño, y en otros es considerado una molestia menor.
c) Toxicidad.
El hierro al estar en concentraciones demasiadas elevadas en el agua, puede originar daños e incluso la muerte, provocando precipitaciones y coloración no deseada. (Gunnar, 1998)
d) Normatividad.
Dentro de la actividad Minero-Metalúrgica, se descargan efluentes con elevadas concentraciones de metales pesados, entre ellos el hierro, generados durante los diferentes procesos de transformación de los minerales. Por ello se manejan niveles máximos permisibles los cuales se muestran en la Tabla 2. (Compendio de la legislacion ambiental peruana, 2010)
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Tabla 1. Niveles máximos permisibles de emisión para las unidades minero-metalúrgicas
PARAMETRO VALOR EN
CUALQUIER MOMENTO
VALOR PROMEDIO
ANUAL
pH Mayor que 6 y
menor que 9
Mayor que 6 y menor que 9 Solidos suspendidos
(𝑚𝑔/𝐿)
50 25
Plomo (𝑚𝑔/𝐿) 0.4 0.2
Cobre (𝑚𝑔/𝐿) 1.0 0.3
Zinc (𝑚𝑔/𝐿) 3.0 1.0
Fierro (𝑚𝑔/𝐿) 2.0 1.6
Arsénico (𝑚𝑔/𝐿) 1.0 0.5
Cianuro total (𝑚𝑔/𝐿)
1.0 1.0
Fuente: Compendio de la legislación ambiental peruana, Ministerio Del Ambiente, 2010
Tabla 2. Estándares de calidad del agua categoría 3
CATEGORIAS ECA AGUA: CATEGORIA 3
PARAMETRO UNIDAD PARAMETRO
PARA RIEGO DE VEGETALES
PARAMETRO PARA BEBIDAS
DE ANIMALES
D1: RIEGO DE CULTIVO DE TALLO ALTO Y BAJO
D2: BEBIDA DE ANIMALES
Hierro 𝑚𝑔
⁄𝐿 5 ∗∗
Fuente: Compendio de la legislación ambiental Peruana, Ministerio Del Ambiente, 2015
37 1.2.5 Sulfuros metálicos.
Los sulfuros que originan gran cantidad de drenaje ácido son la pirita y la marcasita. En minas polimetálicas que contienen concentrados de Cu, Zn y Pb, la pirita es la ganga encontrándose en mayor cantidad con relación a los minerales valiosos. Los minerales sulfurados se forman en ausencia de oxígeno; y al ser expuestos al oxígeno del agua o atmósfera, se desestabilizan. No obstante este proceso ocurre naturalmente, pero las actividades mineras lo aceleran al incrementar la exposición de sulfuros al aire, agua y microorganismos. El drenaje de aguas ácidas se origina tanto en minas activas como abandonadas, en túneles subterráneos, pozos, tajos abiertos, material de desmonte y relaveras. (Simate & Ndlovu, 2014)
Tabla 3. Sulfuros metalicos
METAL SULFURADO FORMULAS QUIMICAS
Pirita o mineral azufrado 𝐹𝑒𝑆2
Marcasita 𝐹𝑒𝑆2
Pirrotita o pirita magnética 𝐹𝑒1−𝑥𝑆
Calcosita 𝐶𝑢2𝑆
Covelita 𝐶𝑢𝑆
Calcopirita 𝐶𝑢𝐹𝑒𝑆2
Bornita 𝐶𝑢5𝐹𝑒𝑆4
Molibdenita 𝑀𝑜𝑆2
Millerita 𝑁𝑖𝑆
Galena 𝑃𝑏𝑆
Esfalerita 𝑍𝑛𝑆
Arsenopirita 𝐹𝑒𝐴𝑠𝑆
Fuente: Simate y Ndlovu 2014 pag. 1786
38 1.2.6 Unidad Minera Carhuacayán.
La antigua mina de Carhuacayán, abandonada desde el año de 1985, se sitúa a 4 𝐾𝑚 en línea recta al Noroeste del distrito de Santa Barba de Carhuacayán, que pertenece a la provincia de Yauli del departamento de Junín. El acceso a esta mina se materializa mediante una buena carretera afirmada, que la une con Santa Bárbara de Carhuacayán. A demás existe una red de trochas corrozables que la interconectan con los diferentes centros mineros y poblados de esta inmensa altiplanicie. (Quinteros, 1999, pág. 25)
1.2.7 Suspensiones coloidales.
Son imperceptibles partículas sólidas cuya sedimentación es imposible por la sencilla acción de la gravedad, sin embargo por técnicas como coagulación, filtración o acción biológica pueden ser removidas del agua. En base a su tamaño, estas partículas han sido definidas con diámetros que varía entre 1 y 100 𝑛𝑚. En una establecida dispersión acuosa, todas las partículas coloidales tienen similar carga eléctrica neta ya sea positiva o negativa. Existiendo una repulsión electroestática entra las partículas coloidales manteniéndose separadas y dificultando su remoción. (Arboleda Valencia, 2000)
a) Propiedades.
Presenta un movimiento browniano, al moverse de manera constante e irregular, las partículas coloidales desafían a la gravedad al tener un área superficial específica, y una masa despreciable con relación a su área. Debido a esa actuación no puedan ser removidas por una sedimentación simple. Los iones son absorbidos por los coloides en cantidades desiguales, por la enorme área superficial, ocasionando que la carga eléctrica formada favorezca su estabilidad. El potencial Z
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determina el grado de estabilidad, relacionando la carga y la distancia por la cual esta carga es efectiva. La dispersión de la luz en una solución coloidal es referida al efecto Tyndall-Faraday, utilizada para hallar la turbiedad del agua, dicha dispersión de un haz incidente guarda una precisa relación con el diámetro, número, masa, tamaño y forma de las partículas presentes en la muestra. (Arboleda Valencia, 2000)
b) Teoría de la doble capa.
La gran estabilidad que tiene las partículas coloidales se debe por estar envueltas por dos capas eléctricas, una de ellas es la capa interna que tiene cationes así como aniones, pero por lo normal su carga neta es negativa. Mientras la otra capa es la externa que conserva cationes comunes como 𝑁𝑎+, 𝐾+, 𝐶𝑎++, 𝑀𝑔++etc. (Arboleda Valencia, 2000)
c) Potencial Z.
Es el potencial eléctrico originado entre las dos capas que envuelven al coloide, medida en milivoltios. Dicho parámetro es empleado para examinar la conducta del coloide pues tiene una relación directa con las fuerzas de repulsión, las cuales imposibilitan la unión entre los coloides.
La repulsión electrostática es trascendental cuando se acercan los coloides y la doble capa empieza a interferir. Por lo tanto se necesitara energía extra para superar esta repulsión y forzar la unión entre las partículas. (Arboleda Valencia, 2000)
d) Aplicación del potencial zeta en la coagulación del agua.
Una manera de mejorar la dosificación de coagulante es por el potencial zeta. Las partículas coloidales al ser imperceptible por su tamaño y al tener un comportamiento complejo no logran removerse por los métodos de sedimentación y filtración convencional. Por tanto en estos
40
últimos tiempos los coloides son eliminados por la disminución del potencial zeta a partir de coagulantes como son el alumbre, cloruro férrico, polímeros catiónicos o coagulantes naturales.
Al ser eliminada o reducida en las cargas ya no existirán fuerzas de repulsión que frenen la formación de macropartículas. (Arboleda Valencia, 2000)
1.2.8 Coagulante.
son compuestos de origen orgánico o sintético que al adicionar al agua proporcionan cargas de signo contrario para neutralizar las cargas eléctricas de las partículas coloidales presentes, dejando de actuar las fuerzas de repulsión, su potencial Z se anula y los colides se agregan.
(Hernández Muñoz, 2001)
a) Características de los coagulantes.
Tener carga opuesta al coloide con el fin de poder neutralizar las fuerzas electrostáticas (punto isoeléctrico o potencial Z nulo).
Tener carga de valencia alta para garantizar que la ruptura de la estabilidad coloidal sea rápida.
Ser de gran peso, para que los flóculos formados puedan separarse lo más rápidamente posible, por precipitación.
b) Clasificación de los coagulantes.
Los coagulantes de importancia en el tratamiento de agua son clasificados como se indica en la Tabla 4. (Hernández Muñoz, 2001)
41 Tabla 4. Tipos de coagulantes.
COAGULANTES INORGANICOS
Sulfato de aluminio 𝐴𝑙2(𝑆𝑂4)3 Sulfato ferroso (𝐹𝑒𝑆𝑂4) Sulfato férrico (𝐹𝑒2(𝑆𝑂4)3) Cloruro férrico (𝐹𝑒𝐶𝑙3) Aluminato sódico (𝑁𝑎𝐴𝑙𝑂2) Sulfato cúprico (𝐶𝑢𝑆𝑂4) Cloruro de aluminio (𝐴𝑙𝐶𝑙3)
COAGULANTES ORGANICOS (POLIELECTROLITOS)
NATURALES Son obtenidos a partir de productos naturales.
Aliginatos que son extractos de algas.
Almidones que son extractos de vegetales y derivados de la celulosa.
Mucilago que son extractos de las cactáceas.
SINTETICOS Polielectrolitos no iónicos Oxido de polietileno Poliacrilamida
Polielectrolitos aniónicos Ácido poliacrílico
Poliacrilamida hidrolizada Poliestireno sulfonado Polielectrolitos catiónicos Polidialidimetilamonio
Fuente: Hernández Muñoz, 2001.
42 c) Coagulantes naturales.
Son producidos por reacciones bioquímicas naturales que pueden ocurrir en animales y como en plantas, al no poseer sola una composición química precisada, son constituidos especialmente por diferentes tipos de polisacáridos como el almidón, celulosa, glucósidos, entre otros y proteínas encontrando la caseína, gelatina, olieratina, entre otros. No presentan toxicidad actuando de igual manera que los coagulantes sintéticos, facilitando la aglomeración de las partículas dispersas que están presentes en el agua, al ser de origen natural son biodegradables siendo una buena alternativa para el medio ambiente y la economía para el tratamiento de aguas, algunos de los coagulantes de origen natural son almidones y polisacáridos naturales. (Nieto &
Orellana, 2011)
d) Principales características de la Opuntia floccosa.
El nombre definido se da por los mechones blandos y largos pelos blanco conocido técnicamente como gloquidios envolviendo los segmentos. Estas plantas ocupan inmensas áreas o colonias tupidas, la parte de los segmentos son cilíndricos cortos, tuberculados, con hojas cilíndricas, de característica verde oscuro de 7𝑚𝑚, espinas de 2 a 4 𝑐𝑚 , rectas, amarillas. Flores de 2,5 a 3 𝑐𝑚 de color amarillo-naranja. Sus frutos son globoso, umbilicado, semillas cubiertas de Arilo funicular de 4 𝑚𝑚 .Esta planta se distribuye por Cajamarca, La Libertad, Lima, Junín, Huancavelica, Cuzco, Arequipa, Puno hasta Bolivia, de 3600 a 4 300 𝑚𝑠𝑛𝑚. En nuestras punas heladas, el único cactáceo hallado es la Opuntia floccosa, que crece exitosamente en hábitat por encima de 4 000 𝑚𝑠𝑛𝑚. Recibe distintos nombres como (el abuelo o Guaguro).
(Ostolaza Nano, 2012, pág. 56)
43 1.2.9 Coagulación.
En el proceso de tratamiento de aguas, el fenómeno de la coagulación es la desestabilización eléctrica de las partículas coloidales, por las reacciones que ocurren al añadir un reactivo químico llamado coagulante al agua, reduciendo el potencial zeta de las partículas permitiendo que los diminutos sólidos disueltos en el agua, se acerquen unos a otros siendo aptos para acumularse y formar partículas de gran tamaño para sedimentarse por gravedad. (Singley, 1986)
1.2.10 Fenómeno de la coagulación.
a) Modelo físico.
El modelo físico de la coagulación se explica en la coagulación del agua a través de las fuerzas electrostáticas que existen en las partículas. Las fuerzas electromagnéticas existentes rodean a las partículas con una doble capa que interacciona con la fase acuosa. (Arboleda Valencia, 2000)
Hay tres teorías que explican este este concepto
a. Teoría propuesta por Helmholtz. a la superficie del coloide acudirán tantos iones positivos (contraiones) del medio dispersante como sean necesarios hasta neutralizar su carga, formándose así una capa adherida alrededor del coloide en la que el potencial “q”
caerá.
b. Teoría propuesta por Gouy y Chapman, la agitación térmica del líquido tiende a separar a los contraiones de la superficie del coloide formándose una capa difusa alrededor de ella, el potencial cae lentamente prolongándose una distancia δ dentro del líquido que la rodea.
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c. Teoría de Stern. Acepta ambas teorías considerando la formación de una capa adherida y una capa difusa alrededor del coloide, el potencial “q” cae lentamente en la capa adherida y rápidamente en la capa difusa.
Figura 2. Teoría de las fuerzas electromagnéticas (Arboleda Valencia, 2000)
Estabilidad e inestabilidad de las soluciones coloidales.
Se da a partir de la interacción de las fuerzas electrostáticas de repulsión (Coulombicas) y de atracción (Van der Walls), si se hace una composición de estas fuerzas se obtiene una resultante la cual tiene una cresta denominada barrera de energía. Para que un coloide flocule, es necesario que las partículas se aproximen a una distancia menor a la que existe entre el centro de un coloide y la cresta de energía. (Arboleda Valencia, 2000)
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Figura 3. Composición de fuerzas electroestáticas de repulsión y de atracción (Arboleda Valencia, 2000)
Coagulación por comprensión de la doble capa.
Cuando se aproximan dos partículas semejantes, sus capas difusas interactúan y generan una fuerza de repulsión, cuyo potencial de repulsión está en función de la distancia que los separa y cae rápidamente al incrementar la concentración de especies iónicas o electrolitos, con lo cual se incorporan contraiones en la capa difusa permitiendo que ésta se comprima y disminuya la magnitud de las fuerzas repulsivas eliminando así la barrera de energía. (Arboleda Valencia, 2000)
Coagulación por adsorción y neutralización de la carga.
Consiste en la interacción coagulante – coloide, las partículas coloidales poseen carga negativa en su superficie, llamadas primarias las cuales atraen los iones positivos que se encuentran en solución dentro del agua y forman la primera capa adherida al coloide.
El desplazamiento de los coloides y su interacción con el coagulante se rigen por el potencial ZETA. La adición de productos de coagulación – floculación produce la anulación del potencial,
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en la que la fuerza natural de mezcla debido al movimiento browniano no es suficiente requiriéndose una energía complementaria necesaria; por ejemplo realizar la agitación mecánica o hidráulica.
Cuando se adiciona un exceso de coagulante al agua a tratar, se produce a la reestabilización de la carga de la partícula; esto se puede explicar debido a que el exceso de coagulante son absorbidos en la superficie de la partícula, produciendo una carga invertida a la carga original.
(Arboleda Valencia, 2000)
b) Modelo químico.
La carga primaria de las partículas coloidales es por la ionización directa de los grupos químicos presentes en la superficie de ellas, como los hidroxilos, carboxilos, fosfatos o sulfatos y la precipitación de los coloides se da por reacciones de estos grupos con los iones metálicos polivalentes agregados con los coagulantes. (Arboleda Valencia, 2000)
Fases de la coagulación.
La coagulación tiende a desarrollarse en un tiempo muy breve es casi al instante, presentándose las faces siguientes. (Arboleda Valencia, 2000)
1ra. Fase.- Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas en suspensión.
2ra. Fase.- Generación de los compuestos químicos poliméricos.
3ra. Fase.- Adsorción de cadenas poliméricas por los coloides.
4ra. Fase.- Adsorción mutua de coloides.
5ra. Fase.- Acción de barrido.
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Figura 4. Modelo esquemático de la coagulación (Arboleda Valencia, 2000)
1.2.11 Floculación.
Dicho fenómeno seda cuando las partículas ya desestabilizadas colisionan unas con otras por los fenómenos de transporte dentro del líquido. Implicando la generación de puentes químicos entre las partículas, formándose unas mallas de coágulos, tridimensional y porosa, agrandándose las partículas aglutinadas en pequeñas masas, denominadas flocs, facilitando la precipitación.
(Soto, 2001)
a) Mecánica de la floculación.
Esta mecánica de floculación es ocasionada por el choque entre las partículas. Interviniendo en forma secuencial, los siguientes mecanismos de transporte:
