universidad nacional del centro del perú

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

“REMOCIÓN DE ARSÉNICO DEL AGUA POTABLE DEL DISTRITO DE QUERO PROVINCIA DE JAUJA, POR EL

MÉTODO DE ELECTROCOAGULACIÓN, A NIVEL LABORATORIO”

TESIS

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO

Presentada por:

Bach. PAITAN DE LA CRUZ, Luis Ángel

Bach. PALOMINO BARRIENTOS, Diana Carolina

Huancayo – Perú

2017

ii

ASESOR

Ms. LUIS FERNANDO RICCIO YAURI

iii DEDICATORIA

Es mi deseo como sencillo gesto de agradecimiento, dedicarles mi tesis a mis padres Jesús y Nancy por su amor, trabajo y sacrificio en todos estos años al apoyo incondicional que me dieron en todo el proceso de mi formación y en mí desarrolló profesional. A mis hermanos que estuvieron hay en los momento difíciles y a todas las personas que confiaron en mí.

LUIS ANGEL Dedico este trabajo a dios por haber guiado mis pasos y por

regalarme una familia maravillosa. A mis padres Julián y Flor por su apoyo incondicional, sacrificio y esfuerzo que permitieron que llegue a lograr mis metas. A mis hermanos Patricia, Susy, Candy, Julián y Sandra, por todo esos recuerdo de infancia que me hicieron muy feliz. A mi tíos Jancito, Catalina y Yola que desde un inicio confiaron en mí.

DIANA CAROLINA

iv AGRADECIMIENTO

Agradecemos a dios por permitimos llegar hasta estos momentos, habernos guiado a lo largo de nuestra vida, por ser nuestro apoyo y luz en nuestro camino. Por habernos dado fortaleza para seguir adelante en aquellos momentos de debilidad.

Agradecemos a nuestros padres por todo el apoyo brindado a lo largo de nuestras vidas. Por darnos la oportunidad de estudiar una carrera. Y por ser ejemplo de vida.

A nuestros hermanos, por ser parte importante de nuestras vidas y representar la unidad familiar por llenar de nuestras vidas de alegría y amor cuando más lo necesitábamos.

A los catedráticos de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú, por sus enseñanzas impartidas durante nuestra formación profesional.

A la facultad de Ingeniería Química por haber permitido hacer uso de los laboratorios y Equipos para el desarrollo del presente trabajo de investigación.

Al ingeniero Asterio Antezana Yalle jefe del área de Centro de Calidad EPS MANTARO ZONAL JAUJA, por la ayuda brindada y por acceder a nuestra solicitud para la toma de muestra de agua que fue fundamental para poder concluir este trabajo

Al ingeniero Luis Miguel Pérez Solís, por su apoyo incondicional en el desarrollo de este trabajo de investigación y por motivarnos para continuar.

A los amigos y colegas que han apoyado con información para esta investigación.

Diana y Luis

v RESUMEN

El presente trabajo de investigación titulado: “REMOCIÓN DE ARSÉNICO DEL AGUA POTABLE DEL DISTRITO DE QUERO PROVINCIA DE JAUJA, POR EL MÉTODO DE ELECTROCOAGULACIÓN, A NIVEL LABORATORIO”, tuvo como objetivo principal determinar la remoción de arsénico del agua potable distrito de Quero provincia de Jauja por el método de electrocoagulación. Cómo preámbulo al estudio de investigación se realizaron la caracterización fisicoquímica y química del agua en estudio para conocer el valor de los parámetros a comparar según la normativa ambiental vigente.

La determinación de arsénico se realizó mediante el análisis de Espectrometría de Masas con plasma de acoplamiento inductivo (ICP- MS), resultando una concentración de 0,0543 mgAs/L que se encuentra por encima del Estándar Nacional de Calidad Ambiental para el agua, 0,01 mg/L de arsénico especificados en el decreto supremo N° 0152-2015- MINAM y el reglamento de la calidad del agua para consumo humano DS N° 031-2010-SA. DIGESA.

Este análisis sirvió también para descartar otros metales pesados por encima de los ECAs en la muestra de agua..

La electrocoagulación es una aplicación de la electroquímica, cuyo fundamento radica en que las partículas contaminantes que se encuentra en suspensión en el agua tienen un carácter eléctrico que las hacen recolectores de iones de carga opuesta, formando partículas más grandes llamados flóculos, los cuales por su mayor peso sedimentan por gravedad. Para llevar a cabo el proceso de electrocoagulación se utilizó un rectificador de tensión variable de un rango de 0 a 50 V y de 0 a 10 A.

Se utilizó un volumen de 1,8 L de agua para cada corrida del diseño experimental planteado, se realizaron experimentos preliminares para seleccionar los electrodos y la distancia entre ellos como resultados se fijó tres placas de fierro como ánodo y tres placas de aluminio como cátodos arreglados en serie separados a 1 cm y un área superficial total de contacto de

vi 0,08856 m² entre electrodos y la muestra, alcanzando el mayor porcentaje promedio de remoción de arsénico de 97,73% y una concentración promedio final de arsénico de 0,0012mgAs/L (valor inferior al ECA) con una densidad de corriente de 28,23 A/m² y un tiempo de residencia de 25 minutos, confirmando que lo propuesto en la presente investigación es una alternativa muy viable para el tratamiento del Agua del distrito de Quero contaminada de Arsénico.

Se realizó el análisis estadístico para evaluar la influencia de las variables independientes densidad de corriente (X1) y tiempo de residencia (X2), comprobando los resultados de la parte experimental; ambas variables tienen influencia directa positiva en la remoción de arsénico (Y). El modelo experimental obtenido fue 𝑌 = −5,49 + 2,54𝛸₁+ 1,39𝛸₂, donde:

16,94 𝐴 m⁄ ²≤ 𝛸1≤ 28,23 𝐴 m⁄ ² ; 15 m𝑖𝑛 ≤ 𝛸2≤ 25 m𝑖𝑛. Las tasas de cambio calculadas para el modelo son: 2,54 _𝐴/m^%₂ ; 1,40 _mi𝑛^% . El modelo permite predecir el porcentaje de remoción de todos los valores que se encuentren en el rango mencionado de las variables independientes estudiadas.

vii INTRODUCCION

La necesidad actual de proveer agua para una creciente población mundial, que satisfaga las demandas de agua potable, de agua de riego y agua para la industria crea el reto de investigar y adaptar tecnologías que permitan la protección, conservación y recuperación del recurso hídrico. Una de las grandes problemáticas que se tiene en la región es la falta de agua potable en diversas zonas. Actualmente en el distrito de Quero provincia de Jauja, se encontró que el agua potable tiene altos índices de arsénico siendo este de 0,0543 mgAs/L que sobrepasa los ECAS que es de 0.01 mgAs/L especificados en el decreto supremo N° 015-2015- MINAM y el reglamento de la calidad del agua para consumo humano DS N° 031-2010-SA.

DIGESA. Este valor es perjudicial para el ser vivo ya que la ingestión de arsénico vía el agua se asocia a problemas neurológicos, hidroarsenicismo crónicos, así como a efectos carcinogénicos. Así mismo en el trabajo de investigación se plantea la electrocoagulación como una alternativa tecnológica de tratamiento para la remoción de arsénico en el agua, este método es muy limpio debido a que no necesita de agentes químicos y es muy eficiente en la remoción de metales.

La electrocoagulación es un proceso que utiliza la electricidad para eliminar contaminantes en el agua que se encuentran suspendidos, disueltos o emulsificados. La técnica consiste en inducir corriente eléctrica en el agua residual a través de placas metálicas paralelas de fierro y el aluminio.

La corriente eléctrica proporciona la fuerza electromotriz que provoca las reacciones químicas que desestabilizan las formas en las que los contaminantes se encuentran presentes, bien sea suspendidas o emulsificados. Cuando esto ocurre, los contaminantes forman componentes hidrofóbicos que se precipitan y/o flotan y se pueden remover fácilmente por algún método de separación de tipo secundario

viii OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Determinar el porcentaje de remoción de arsénico del agua potable del distrito de Quero provincia de Jauja por el método de electrocoagulación, a nivel de laboratorio.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

 Caracterizar fisicoquímica y químicamente el agua potable del distrito de Quero, provincia de Jauja.

 Determinar experimentalmente la densidad de corriente del proceso de electrocoagulación.

 Determinar experimentalmente el tiempo de residencia del proceso de electrocoagulación.

 Obtener un modelo matemático experimental y las tasas de cambio que predigan el porcentaje de remoción de As con respecto a la densidad de corriente y tiempo de residencia.

ix NOMENCLATURA

 A : Amperaje

 As : Arsénico

 A/m² : Amperaje por metros cuadrados

 AC : Corriente alterna

 DC : Corriente continua

 mg : Miligramos

 mg/L : Miligramos por litro.

 L/min : Litros por minutos

 𝜇𝑔/𝐿 : Microgramos por litros

 mgAs/L : Miligramo de Arsénico por Litro

 K : Grados kelvin

 kJ/mol : Kilo joule por mol

 J/(K.kg) : Joule por grados kelvin por kilogramo

 𝜇S/cm : microSiemens por centímetro

 W/(K.m) : Watts por kelvin por metros

 L : Litro

 L/min : Litro por minutos

 V : Voltaje.

 °C : Grados centígrados

 O2 : Oxígeno

 ppm : Partes por millón.

 LD : Limite de Detección

 LMP : Límites máximos permisibles.

x

 UNT : Unidad nefelométrica de turbiedad.

 Eh : Potencial Redox

 OMS : Organización Mundial de la Salud

 S : Desviación estándar

 Syy : Suma total de cuadrado

 SCR : Suma de cuadrados de regresión

 SCE : Suma de cuadrados del error

 CME : Cuadrado medio del error

 H0 : Hipótesis Nula

 HA : Hipótesis Alterna

 R² : Coeficiente de determinación

 R²aj : Coeficiente de determinación ajustado

 ICP – MS : Espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo

 X1 : Densidad de corriente

 X2 : Tiempo de residencia

 Y : Remoción de arsénico

xi INDICE

DEDICATORIA iii

AGRADECIMIENTO iv

RESUMEN v

INTRODUCCIÓN vii

OBJETIVOS viii

NOMENCLATURA ix

INDICE xi

INDICE DE TABLAS xvi

INDICE DE FIGURAS xviii

CAPITULO I

REVISION BIBLIOGRÁFICA

1.1. ANTECEDENTES 20

1.2. ARSÉNICO 22

1.2.1. Efectos del Arsénico sobre la Salud 24

1.2.2. Efectos Ambientales del Arsénico 26

1.2.3. La Química del Arsénico 27

1.2.4. Características del Arsénico 29

1.2.5. Tratamientos para la Remoción de Arsénico 30

1.2.5.1 Límite Máximo Permisible Niveles Preocupantes de Arsénico en el Agua Potable

30

1.3. EL AGUA 32

1.3.1. Agua Potable 32

1.3.2. Calidad del Agua 32

1.3.3. Principales Contaminantes del Agua 33

xii

1.3.4. Aguas Subterráneas 34

1.3.5. Composición de las Aguas Subterráneas 34

1.3.6. Características para determinar la Calidad del Agua 35

1.3.6.1. Características Físicas 36

1.3.6.2. Características Químicas 39

1.4. ELECTROQUÍMICA 41

1.4.1 Proceso Electroquímicos 41

1.4.1.1. Oxidación en Ánodo 41

1.4.1.2. Reducción en Cátodo 42

1.4.1.3. Tecnologías Electroquímicas 42

1.4.2. Electrocoagulación 43

1.4.3. Historia y Evolución de la Electrocoagulación 44 1.4.4. Fundamento Teórico de la Electrocoagulación 45

1.4.5. Procesos Electroquímicos 47

1.4.5.1. Reacciones de los Ánodos 48

1.4.5.2. Reacción en los Cátodos 48

1.4.6. Aplicaciones de la Electrocoagulación 49

1.4.7. Ventajas de la Electrocoagulación 50

1.4.8. Mecanismos y Reacciones 52

1.4.8.1. Proceso de Electrocoagulación 52

1.4.8.2. Reacciones Involucradas en la Electrocoagulación 54 1.4.9. Factores que afectan La Electrocoagulación 56

1.4.9.1. pH 56

1.4.9.2. Densidad De Corriente 57

1.4.9.3. Conductividad 58

xiii

1.4.9.4. Temperatura 58

1.4.10. Diseño de Operación del Reactor de Electrocoagulación 58

1.4.11. El Sistema Electroquímico 61

1.4.11.1. La Fuente de poder 61

1.4.11.2. La Celda 61

1.4.11.3. Los Electrodos 62

1.4.12. Variables de Diseño 63

1.4.12.1. Volumen de la celda de reacción 63

1.4.12.2. Tipo de electrodos 63

1.4.12.3. Forma y Dimensión de los electrodos 64

1.4.12.4. Distancia entre los electrodos 64

1.5. REGRESIÓN LINEAL MÚLTIPLE 64

1.6. PRUEBAS DE HIPÓTESIS EN REGRESIÓN LINEAL MÚLTIPLE

69

1.6.1. Análisis de Varianza 69

1.6.2. Coeficiente de Determinación: 72

1.6.3. Coeficiente de Correlación Múltiple 72

1.6.4. Pruebas sobre coeficientes Individuales del Modelo 73

CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL

2.1. METODOLOGÍA DE INVESTIGACION 75

2.2. POBLACION Y MUESTRA 76

2.2.1. Población 76

2.2.2. Muestra 76

xiv

2.3. DISEÑO EXPERIMENTAL 76

2.3.1 Identificación de variables y constantes 76

2.3.2 Niveles de variables Independientes 78

2.3.3 Matriz de Diseño 79

2.4 EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS 80

2.4.1. Equipos e Instrumentos 80

2.4.2. Materiales Utilizados 82

2.5. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 83

2.5.1. Muestreo y Caracterización del Agua en estudio 83

2.5.1.1. Ubicación del agua de manantial 83

2.5.2.2. Protocolo Nacional de Monitoreo de la calidad de Agua 83

2.5.2. Procedimiento de la electrocoagulación 85

CAPITULO III

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 3.1. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN INICIAL DE LA

MUESTRA DE AGUA MUESTREADA DE QUERO PROVINCIA DE JAUJA

87

3.2. RESULTADOS PRELIMINARES 89

3.2.1 Resultados Experimentales para encontrar la combinación de electrodos

89

3.2.2 Resultados Experimentales para determinar la distancia entre electrodos

92

3.3. NIVELES DE LAS VARIABLES INDEPENDIENTE 94

3.4. PRUEBAS EXPERIMENTALES 97

xv 3.4.1. Resultados para determinar la densidad de corriente y el tiempo de

residencia

99

3.5. DETERMINACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO EMPÍRICO MEDIANTE REGRESIÓN LINEAL MULTIVARIABLE

105

3.5.1. Pruebas de Hipótesis para la Significancia del Modelo de Regresión Lineal Múltiple

107

3.5.1.1 Pruebas de Hipótesis para la Contribución de la Variable Densidad de Corriente 𝛸₁.

108

3.5.1.2. Pruebas de Hipótesis para la contribución del variable tiempo de residencia Χ2.

109

3.5.2 Determinación de la Tasa de Cambio del Porcentaje de Remoción de As con respeto a la Densidad de Corriente.

110

3.5.3. Determinación de la Tasa de Cambio del Porcentaje de Remoción de As con respeto al Tiempo de Residencia.

110

CONCLUSIONES 112

RECOMENDACIONES 113

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 114

ANEXOS 116

xvi INDICE DE TABLAS

Tabla1.1: Características del arsénico.

Tabla 1.2: Principales tratamientos fisicoquímicos de remoción de Arsénicos.

Tabla1.3: Estructura de los datos para la regresión lineal múltiple.

Tabla 1.4: ANOVA para la significación del modelo de regresión lineal múltiple.

Tabla 1.5: Análisis de regresión para el modelo.

Tabla 2.1: Parámetros que se mantuvieron constantes e involucradas en el proceso de electrocoagulación.

Tabla 2.2: Niveles máximos y mínimos de las variables independientes Tabla 2.3: Matriz de Diseño

Tabla 3.1: Resultados de la Caracterización Fisicoquímica Tabla 3.2: Resultados de la caracterización Química

Tabla 3.3: Resultados Experiméntales para el par de electrodos Al – Fe Tabla 3.4: Resultados Experiméntales para el par de electrodos Fe – Al

Tabla 3.5: Resultados Experimentales para encontrar la combinación de electrodos.

Tabla 3.6: Resultados Obtenidos para Determinar la Distancia entre Electrodos Tabla 3.7: Valores de los parámetros de trabajo para la elección de niveles Tabla 3.8: Resultados Obtenidos para la selección de los niveles

Tabla 3.9: Condiciones de operación para el proceso de electrocoagulación para la remoción de arsénico en el agua.

Tabla 3.10: Resultados de las pruebas de los experimentos para la matriz de diseño Tabla 3.11: Resultados del Diseño Experimental

Tabla 3.12: Resultado de los porcentajes de Remoción Promedio para cada nivel Tabla 3.13: Resumen de Coeficientes de Determinación

xvii Tabla 3.14: Análisis de Varianza

Tabla 3.15: Análisis de Regresión para el modelo

Tabla 3.16: Valores de los coeficientes del Modelo Matemático mediante regresión lineal multivariable.

Tabla L1: Pruebas experimentales para la electrocoagulación

xviii INDICE DE FIGURA

Figura 1.1: Diagrama Eh-pH para arsénico a 25ºC y 101.3 KPa (Según Wang & Mulligan;

2006).

Figura 1.2: Tecnologías Electroquímica.

Figura 1.3: Sistema de Electrocoagulación.

Figura 1.4. Reactores para electrocoagulación tipo batch:

(a) Reactor con electrodos monopolares conectados en paralelo, (b) Reactor con electrodos monopolares conectados en serie.

Figura 1.5: Reactor tipo filtro prensa.

Figura 2.1: Fuente de tensión variable de 0-50V y 0-10A Figura 2.2: Dimensiones de la celda de electrocoagulación.

Figura 2.3: Característica de la cara para la toma de muestra.

Figura 2.4: Celda electrolítica.

Figura 2.5: Ubicación del Manantial de Quero.

Figura 2.6: Equipo de Electrocoagulación,

Figura 2.7: Equipo de Electrocoagulación con el multitester.

Figura 2.8: Zonas de la celda de Electrocoagulación.

Figura 3.1: Porcentaje de remoción de Arsénico en el agua con los Electrodos Fe y Al en diferentes combinaciones

Figura 3.2 Porcentaje de remoción de Arsénico en el Agua a 1 cm y 2 cm de distancia entre electrodos.

Figura 3.3: (a) el rectificador marcando la intensidad de corriente a 1,5 Amperios (b) marcando a 2 Amperios para el proceso de electrocoagulación.

Figura 3.4: Porcentaje de Remoción vs Densidad de Corriente a 15 min

Figura 3.5: Porcentaje de Remoción vs Densidad de Corriente a 25min

xix Figura 3.6: Variación del porcentaje de remoción de Arsénico en función de la densidad de corriente y tiempo de residencia.

Figura 3.7: Interacciones ocurridas en un reactor de electrocoagulación

20 CAPITULO I

REVISION BIBLIOGRAFICA 1.1. ANTECEDENTES

En el 2016 se evaluó la influencia del tiempo de residencia de una solución artificial de arsénico y la densidad de corriente aplicada, sobre el porcentaje de reducción de arsénico (III) en solución acuosa, mediante el método de electrocoagulación; método para el cual se utilizaron ánodos de aluminio y cátodos de fierro .De los resultados obtenidos se determinó que el incremento del tiempo de residencia y la densidad de corriente aplicada, influyen significativamente e incrementan el porcentaje de reducción de arsénico en la solución, siendo ligeramente mayor la influencia del tiempo de residencia que la densidad de corriente aplicada. Así mismo, el mayor porcentaje de reducción fue de 99,20% alcanzado con un tiempo de residencia de 45 minutos y a una densidad de corriente de 40 mA/cm²; incrementándose el valor promedio del pH durante el tiempo de residencia de las muestras ensayadas, donde la mayor velocidad de reducción se logró a los 15 minutos de ensayo para todos los niveles de densidad de corriente aplicada. (Arévalo, 2016)

En el 2014 se removió el arsénico mediante arcilla natural del agua procedente del manantial de Quero- Jauja, tuvo como objetivo principal remover el arsénico presente en el agua de manantial mediante un proceso de adsorción controlando los parámetros de operación: el pH y tiempo de contacto. La concentración de arsénico inicial hallada fue de 0,04920 mg As/L que sobrepasa el LMP que es solo 0,01 mgAs/L según el Reglamento de la calidad del agua para consumo Humando (DS N° 031-2010- SA). Como resultado de la investigación el porcentaje de remoción alcanzado en el agua de manantial de Quero fue 97,5%, la concentración final fue de 0.00131mg As/L la cual está muy por debajo del LMP para

21 arsénico que se muestra en el reglamento de la calidad del agua para consumo Humano.

(Álvarez Camarena & G., Veli Jimenez L. 2014)

En el 2012 un grupo de investigadores peruanos y norteamericanos, liderados por la Dra.

Christine Marie George de la Escuela de Salud Pública de la Universidad Johns Hopkins, colectó muestras de 151 fuentes de agua (111 de tuberías de agua potable y 40 de ríos y caños municipales), de 12 distritos de Lima, La Oroya, Puno y Juliaca, entre agosto y octubre del 2012. Las muestras fueron analizadas usando un equipo de espectrometría de masas de plasma con acoplamiento inductivo (ICP-MS), capaz de detectar trazas mínimas de diversos elementos químicos, y mediante un kit comercial llamado Arsenic Econo-Quick® con el fin de validarlo. Los resultados mostraron que el 86% de las muestras colectadas directamente de las tuberías de agua potable exceden los límites establecidos por la OMS y nuestra normativa nacional. En los distritos de Juliaca y Caracoto, la situación es peor puesto que el 96% de las muestras de agua potable superaban estos límites. (Christine Marie, 2012).

En el 2011 se utilizó el método de electrocoagulación para la remoción de arsénico del agua.

Los experimentos fueron desarrollados inicialmente en un reactor electroquímico filtro prensa tipo batch. De los resultados obtenidos en el reactor, se encontró que la eficiencia de remoción de arsénico se logra a un tiempo de tratamiento inferior de 10 min operado a una densidad de corriente de 15 A/m² y un flujo volumétrico de 7,64 L/min. (Ávila, García, 2011).

En el 2010 se utilizaron sistema de electrocoagulación para estudios de campo con un volumen de celda de 50 L, con una fuente de corriente de 12V, con una intensidad de 2 ampere, se utilizaron 2 placas de fierro (10cm de ancho por 15cm de largo).Las placas fueron separadas a una distancia de 0.5 cm el agua tratada provino de la villa de Nadia distrito Bengal. La villa escogida para las pruebas fue Ghetugahi. El nivel de Arsénico encontrado

22 fue 400 𝜇𝑔/𝐿 (0.4 mg/L). Un total de 17 pruebas se realizaron, alcanzado una eficiencia de remoción de 99,9%, para un tiempo de 3h de operación. (Wie, Troy j, Tuhin, Sanjeev, &

Daniel E., 2010)

En el 2010 se removió el arsénico de agua potable por el método de electrocoagulación. Los resultados obtenidos indican que se obtienen mejores resultados en la remoción de arsénico mediante Electrocoagulación, conforme la separación de electrodos disminuye y la conductividad aumenta, siempre y cuando la pérdida de carga se mantenga por debajo de los 7 metros de H2O durante el tiempo de operación con caudales mayores a 5,0 L/min, densidades de corriente de aproximadamente 0,015 A/cm², además de la presencia de cloro libre aproximadamente en 7,0 mg/L. (García, 2010).

En el 2004 con electrodos de Fe se removió más del 99% de As III y V, con electrodos de Al el 37% y con Ti el 58% la densidad de corriente no tiene efecto significativo en la remoción, pero si incrementa la velocidad de remoción. Se utilizó un reactor de tipo batch con una densidad de corriente de 0,00065 a 0,00153 A/cm², la distancia entre electrodos fue de 0,5 cm y con un pH de 6 a 8. (Ratma k. &, Removel, 2004).

1.2. ARSENICO

Elemento químico, cuyo símbolo es As y su número atómico, 33. El arsénico se encuentra distribuido ampliamente en la naturaleza (cerca de 5 x 10^-4 % de la corteza terrestre). Es uno de los 22 elementos conocidos que se componen de un solo nucleído estable, el peso atómico es de 74,922. Se conocen otros 17 nucleídos radiactivos de As. Existen tres alótropos o modificaciones polimórficas del arsénico. (Marie, 2014)

La forma A cúbica de color amarillo se obtiene por condensación del vapor a muy bajas temperaturas. La forma B polimórfica negra, que es isoestructural con el fósforo negro.

Ambas revierten a la forma más estable, la forma C, gris o metálica, del arsénico

23 romboédrico, al calentarlas o por exposición a la luz. La forma metálica es un conductor térmico y eléctrico moderado, quebradizo, fácil de romper y de baja ductilidad. (Marie, 2014)

Al arsénico se le encuentra natural como mineral de cobalto, aunque por lo general está en la superficie de las rocas combinado con azufre o metales como Mn, Fe, Co, Ni, Ag o Sn. El principal mineral del arsénico es el FeAsS (arsenopirita, pilo); otros arseniuros metálicos son los minerales FeAs2 (löllingita), NiAs (nicolita), CoAsS (cobalto brillante), NiAsS (gersdorfita) y CoAs2 (esmaltita). Los arseniatos y tioarseniatos naturales son comunes y la mayor parte de los minerales de sulfuro contienen arsénico. La As4S4 (realgarita) y As4S6 (oropimente) son los minerales más importantes que contienen azufre. El óxido, arsenolita, As4O6, se encuentra como producto de la alteración debida a los agentes atmosféricos de otros minerales de arsénico, y también se recupera de los polvos colectados de los conductos durante la extracción de Ni, Cu y Sn; igualmente se obtiene al calcinar los arseniuros de Fe, Co o Ni con aire u oxigenó. El elemento puede obtenerse por calcinación de FeAsS o FeAs2 en ausencia de aire o por reducción de As4O6 con carbonato, cuando se sublima As. (Marie, 2014)

El arsénico elemental tiene pocos usos. Es uno de los pocos minerales disponibles con un 99,9999+ % de pureza. En el estado sólido se ha empleado ampliamente en los materiales láser GaAs y como agente acelerador en la manufactura de varios aparatos. El óxido de arsénico se utiliza en la elaboración de vidrio. Los sulfuros de arsénico se usan como pigmentos y en juegos pirotécnicos. El arseniato de hidrógeno se emplea en medicina, así como otros compuestos de arsénico. La mayor parte de la aplicación medicinal de los compuestos de arsénico se basa en su naturaleza tóxica (Marie, 2014)

El Arsénico (As) es un elemento químico sumamente tóxico, no solo para el ser humano, sino para casi todos los organismos vivos de la Tierra. Esto se debe a su capacidad de engañar

24 a las células y hacerse pasar por el fósforo, uno de los seis elementos esenciales para la vida.

Es así que el arsénico afecta la producción del ATP (adenosín trifosfato), que viene a ser el combustible que mantiene en funcionamiento todo el metabolismo celular. (Marie, 2014) Existen pocos organismos en nuestro planeta principalmente bacterias que pueden tolerar altas concentraciones de arsénico y ninguno que pueda reemplazar al fósforo por este elemento. No obstante, a fines del 2010, investigadores del Instituto de Astrobiología de la NASA, anunciaron al mundo que habían descubierto una bacteria que si lo hacía. El estudio fue duramente criticado pero la revista Science no se atrevió a retractarlo, a pesar que seis meses después publicaba otro artículo en el que rebatía dichos resultados. (Marie, 2014) Muchas investigaciones revelan que niveles de exposición superiores a los 0,05 mg de arsénico por litro de agua potable están asociados con un mayor riesgo de contraer cáncer de pulmón, vejiga y piel, lesiones neurológicas y cardiovasculares, problemas neurológicos y motores, entre otros. La contaminación del agua con arsénico puede ocurrir por causas naturales, puesto que es un elemento muy común en el ambiente; o como consecuencia de algunas actividades humanas como la minería, que pueden aumentar su concentración en los ríos que pasen o se originen cerca de su zona de intervención. (Marie, 2014)

Según los estándares de la OMS, los niveles de arsénico en el agua potable no deben exceder los 0,01 mg por litro. Este mismo valor es usado como límite máximo en nuestro país (D.S.

Nº 031-2010-SA). Sin embargo, en los últimos años se han recibido muchas denuncias porque los niveles de arsénico en el agua potable de ciudades como Tacna, Arequipa y Tarma, superan los valores establecidos en nuestra normativa vigente. (Marie, 2014)

1.2.1. Efectos del Arsénico sobre la salud

El arsénico es uno de los más tóxicos elementos que pueden ser encontrados. Debido a sus efectos tóxicos, los enlaces de arsénico inorgánico ocurren en la tierra naturalmente en

25 pequeñas cantidades. Los humanos pueden ser expuestos al arsénico a través de la comida, agua y aire.

La exposición puede también ocurrir a través del contacto con la piel con suelo o agua que contenga arsénico. Los niveles de arsénico en la comida son bastante bajos, no es añadido debido a su toxicidad, pero los niveles de arsénico en peces y mariscos puede ser alta, porque los peces absorben arsénico del agua donde viven. Por suerte esto esta es mayormente la forma de Arsénico orgánico menos dañina, pero peces que contienen significantes cantidades de arsénico inorgánico pueden ser un peligro para la salud humana. (Rodríguez

& Echeverria, 2008)

La exposición al Arsénico puede ser más alta para la gente que trabaja con arsénico, para gente que bebe significantes cantidades de vino, para gente que vive en casas que contienen conservantes de la madera y gente que viven en granjas donde el arsénico de los pesticidas ha sido aplicado en el pasado.

La exposición al arsénico inorgánico puede causar varios efectos sobre la salud, como es irritación del estómago e intestinos, disminución en la producción de glóbulos rojos y blancos, cambios en la piel, e irritación de los pulmones. Es sugerido que la toma de significantes cantidades de arsénico inorgánico puede intensificar las posibilidades de desarrollar cáncer, especialmente las posibilidades de desarrollo de cáncer de piel, pulmón, hígado, linfa .A exposiciones muy altas de arsénico inorgánico puede causar infertilidad y abortos en mujeres, puede causar perturbación de la piel, pérdida de la resistencia a infecciones, perturbación en el corazón y daño del cerebro tanto en hombres como en mujeres. Finalmente, el Arsénico inorgánico puede dañar el ADN.

26 El Arsénico orgánico no puede causar cáncer, ni tampoco daño al ADN. Pero exposiciones a dosis elevadas puede causar ciertos efectos sobre la salud humana, como es lesión de nervios y dolores de estómago. (Rodríguez & Echeverria, 2008).

1.2.2. Efectos Ambientales del Arsénico

El arsénico es un componente que es extremadamente duro de convertir en productos soluble en agua o volátil. En realidad el arsénico es naturalmente específicamente un compuesto móvil, básicamente significa que grandes concentraciones no aparecen probablemente en un sitio específico. Esto es una buena cosa, pero el punto negativo es que la contaminación por arsénico llega a ser un tema amplio debido al fácil esparcimiento de este. El arsénico no se puede movilizar fácilmente cuando este es inmóvil. Debido a las actividades humanas, mayormente a través de la minería y las fundiciones, naturalmente el arsénico inmóvil se ha movilizado también y puede ahora ser encontrado en muchos lugares donde ellos no existían de forma natural.

El ciclo del arsénico ha sido ampliado como consecuencia de la interferencia humana y debido a esto, grandes cantidades de arsénico terminan en el Ambiente y en organismos vivos. El Arsénico es mayoritariamente emitido por las industrias productoras de cobre, pero también durante la producción de plomo y zinc y en la agricultura.

Este no puede ser destruido una vez que este ha entrado en el Ambiente, así que las cantidades que hemos añadido pueden esparcirse y causar efectos sobre la salud de los humanos y los animales en muchas localizaciones sobre la tierra.

Las plantas absorben Arsénico bastante fácil, así que alto rango de concentraciones pueden estar presentes en la comida. Las concentraciones de arsénico inorgánico que está actualmente presente en las aguas superficiales aumentan las posibilidades de alterar el material genético de los peces. Esto es mayormente causado por la acumulación de arsénico

27 en los organismos de las aguas dulces consumidores de plantas. Las aves comen peces que contienen eminentes cantidades de arsénico y morirán como resultado del envenenamiento por Arsénico como consecuencia de la descomposición de los peces en sus cuerpos.

1.2.3. La Química del Arsénico

El Arsénico en agua presenta diferentes especies que dependen de las propiedades químicas del medio, pudiendo existir con números de oxidación de -3, +3, y +5. En agua a pH naturales se encuentra generalmente en forma inorgánica como arsenito (As³⁺) y/o arsenato (As⁵⁺). El As⁺³ es un ácido fuerte, forma complejos preferentemente con óxidos y con el nitrógeno y es 25 a 60 veces más tóxico que el arsenato. Por el contrario, el As⁵⁺ se comporta como un ácido débil, formando complejos con sulfuros.

Las especies de arsenato son AsO4-3, HAsO4-2, H2AsO4 mientras que las especies de arsenito incluyen As (OH)3, As (OH)^-4, AsO2 (OH)^-2, AsO3-3. Las primeras predominan y son estables en ambientes aeróbicos ricos en oxígeno, mientras que las segundas predominan en ambientes moderadamente con pocas cantidades de oxigeno tales como las aguas subterráneas. (García, 2010)

Las especies de arsénico dentro del ambiente natural son gobernadas por un cierto número de reacciones químicas; sin embargo, el potencial Redox (Eh) y el pH controlan la especiación del arsénico. H2AsO^-4 predomina a pH ácidos (menor aproximadamente 6,9) en condiciones oxidantes.

A pH más altos, HAsO^-24 predomina. H3AsO⁰4 y AsO^-34 pueden estar presentes en condiciones fuertemente ácidas o básicas, respectivamente. Finalmente, bajo condiciones reductoras a pH ligeramente menor de 9,2, predomina la especie sin carga H3AsO30. A partir de la Figura 1.1, puede visualizarse que en condiciones naturales, pH de 5,0 a 8,5 y Eh de - 0,30 a +0,70, tres especies co-existen que son H y H3AsO30

28 .La especiación del elemento es necesaria para predecir la movilidad del arsénico, para estimar los efectos en la salud y para definir el tipo de tratamiento que debe implementarse.

(García, 2010)

Figura 1.1: Diagrama Eh-pH para arsénico a 25 °C y 101.3 KPa (Según Wang &

Mulligan; 2006).

Fuente: García, 2010.

El potencial de oxidación-reducción (Eh) o potencial redox, como también se le conoce, es un concepto electroquímico de gran aplicación e importancia para conocer la predominancia de especies en un determinado medio, ya que en la mayoría de los tratamientos la remoción de As⁵⁺ es más eficiente que As³⁺

.Este parámetro es una medida de la actividad de los electrones y está relacionado directamente con la concentración de oxígeno y es análogo al pH el cual mide la actividad pero de protones. (García, 2010)

29 1.2.4. Características del Arsénico

Tabla 1.1

Características del Arsénico

Fuente: http://www.elementos.org.es/arsenico

Arsénico

Símbolo químico As

Número atómico 33

Grupo 15

Periodo 4

Aspecto gris metálico

Densidad 5727 kg/m³

Masa atómica 74,92160 u

Radio medio 115 pm

Radio atómico 114

Radio covalente 119 pm

Estados de oxidación +3 , -5

Óxido levemente ácido

Estructura cristalina Romboédrica

Estado sólido

Punto de fusión 887 K

Punto de ebullición 1090 K Calor de fusión 34,76 kJ/mol Electronegatividad 2,18

Calor específico 330 J/(K·kg) Conductividad eléctrica 3,45 × 10⁶ S/m Conductividad térmica 50 W/(K·m)

30 1.2.5. Tratamientos para la Remoción de Arsénico

En la actualidad, existen diversas tecnologías que permiten remover arsénico presente en agua tanto en bajas como en altas concentraciones, ya sea por vía microbiológica, por fitoremediación o por métodos fisicoquímicos.

Aun así, la concentración residual de arsénico generalmente excede los 0,01 mg/L que exige el nivel máximo permisible fijado por nuestro país mediante el Reglamento de la Calidad del Agua para Consumo Humano DS N° 031-2010-SA, situación preocupante si se toma en cuenta que la Organización Mundial de la Salud concluyó que aún con 0,010 mg/ L.

Ciertos tratamientos como la ósmosis inversa, la electrólisis o las técnicas de membranas así como la adsorción-absorción sobre medios convencionales o novedosos son efectivos pero aún caros para producir agua para consumo humano en gran escala. Particularmente, los métodos fisicoquímicos son los más empleados principalmente por su menor costo y la relativa facilidad de adaptación y operación del proceso; una descripción de los principales se realiza en la Tabla N° 1.2 (García, 2010)

1.2.5.1.Límite Máximo Permisible Niveles Preocupantes de Arsénico en el Agua Potable.

Un grupo de investigadores peruanos y norteamericanos revela que hay presencia de arsénico por encima del límite establecido por la Organización Mundial de la Salud (OMS) en el agua potable en algunos distritos de Perú, lo cual supone una amenaza para la salud pública que requiere mayor investigación y acción. El estudio fue publicado en el boletín de la (OMS, 2006).

31 Tabla 1.2

Principales tratamientos fisicoquímicos de remoción de Arsénico.

Mecanismo Ventajas Desventajas

Oxidación con aire

Proceso relativamente simple, de bajo costo, de aplicación in situ, provoca la oxidación de As

3+ a As ⁵⁺.

Remueve principalmente As⁵⁺ y el proceso es relativamente lento. Se requiere de una eficiente aeración y de una etapa posterior de tratamiento mediante coagulantes o absorbentes para precipitar y remover al arsénico.

Oxidación química

Provoca la oxidación de otros contaminantes presentes y la

destrucción de

microorganismos; proceso relativamente simple y rápido con una mínima formación de lodos.

Se requiere de un estricto control del pH y de una adecuada mezcla y tiempo de contacto del oxidante con el agua a tratar.

Coagulación- Precipitación

Coagulación con alúmina

Efectivo en un intervalo de pH de 6,5- 8,0 y el proceso es sencillo y relativamente barato.

Produce alto volumen de lodos de baja calidad, una etapa de pre-oxidación puede ser requerida, y una etapa posterior de sedimentación y filtración así como el ajuste de pH inicial del agua tratada. Se presume que su presencia en agua genera efectos tóxicos en la salud.

Coagulación con hierro

Más eficiente que la alúmina (base seca) y en un mayor intervalo de pH (4 – 10), proceso sencillo y generalmente los reactivos comerciales disponibles son más baratos que los respectivos a base de aluminio.

Baja remoción de As ⁺³ , se requiere de una etapa de pre- oxidación seguida de sedimentación y filtración, así como ajuste del pH inicial.

Coprecipitación / Ablandamiento

Alta disponibilidad de reactivos Es necesario el ajuste del pH final además de que el proceso produce genera gran volumen de lodos.

Fuente: José Edy García Espinosa (2010); remoción de arsénico en agua por electrocoagulación, México

32 1.3. EL AGUA

El agua es un líquido incoloro, inodoro e insípido que está compuesto por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Se considera que el agua es un solvente universal, debido a que es capaz de disolver o dispersar la mayoría de sustancias con las que tiene contacto, sean estas sólidas, líquidas o gaseosas, y de formar con ellas iones, complejos solubles e insolubles, coloides o simplemente partículas dispersas de diferente tamaño y peso. (OMS, 2006)

1.3.1. Agua Potable

Se llama agua potable al agua dulce que después de ser sometida a un proceso de potabilización se convierte en agua apta para el consumo humano; de esta manera, el agua de este tipo, podrá ser consumida sin ningún tipo de restricciones.

El agua deja de ser potable cuando presenta partículas no disueltas, elementos con toxicidad, virus o bacterias. En estos casos, el consumo de agua se encuentra prohibido ya que estos componentes pueden generar enfermedades a quien la bebe.

La falta de agua potable supone uno de los problemas sanitarios más graves de la actualidad y seguirá agravándose con el pasar de los años. (OMS, 2006)

1.3.2. Calidad del Agua

La calidad de cualquier masa de agua, superficial o subterránea depende tanto de factores naturales como de la acción humana.

Sin la acción humana, la calidad del agua vendría determinada por la erosión del substrato mineral, los procesos atmosféricos de evaporación y sedimentación de lodos y sales, la lixiviación natural de la materia orgánica y los nutrientes del suelo por los factores hidrológicos, y los procesos biológicos en el medio acuático que pueden alterar la

33 composición física y química del agua. Aguas puras, en el sentido estricto de la palabra, en la naturaleza no existen; por ende, se usan los conceptos de agua segura y de agua potable.

Por lo general, la calidad del agua se determina comparando las características físicas y químicas de una muestra de agua con unas directrices de calidad del agua o estándares.

En el caso del agua potable, estas normas se establecen para asegurar un suministro de agua limpia y saludable para el consumo humano y, de este modo, proteger la salud de las personas. Estas normas se basan normalmente en unos niveles de toxicidad científicamente aceptables tanto para los humanos como para los organismos acuáticos. (OMS, 2006) 1.3.3. Principales Contaminantes del Agua

Con el incremento de la población y el surgimiento de la actividad industrial, la contaminación en ríos, lagos y otras fuentes de agua aumenta constantemente. Debe considerarse que una porción de agua está polucionada, cuando su composición se encuentra alterados de tal modo que ya no reúnen las condiciones establecidas por las normas en rigor.

Las principales sustancias contaminantes del agua son: (Núñez, 2014)

 Microorganismos Patógenos: Son los diferentes tipos de bacterias, virus, protozoos y otros organismos que pueden llegar a transmitir enfermedades como el cólera, tifus, diversas gastroenteritis, hepatitis, etc.

 Desechos Orgánicos: Son el conjunto de residuos orgánicos producidos por los seres humanos, ganado, etc.

 Sustancias Químicas Inorgánicas: En este grupo están incluidos ácidos, sales y metales tóxicos como el mercurio y el plomo. Si están en cantidades altas pueden causar graves daños a los seres vivos, disminuir los rendimientos agrícolas y corroer los equipos que se usan para trabajar con el agua.

34

 Compuestos Orgánicos: Muchas moléculas orgánicas como petróleo, gasolina, plásticos, plaguicidas, disolventes, detergentes, etc., acaban en el agua y permanecen, en algunos casos, largos períodos de tiempo, porque, al ser productos fabricados por el hombre, tienen estructuras moleculares complejas difíciles de degradar por los microorganismos.

1.3.4. Aguas Subterráneas

Las aguas subterráneas constituyen la principal fuente de abastecimiento en nuestro país. Se forman a partir del agua que precipita al suelo por acción de la gravedad hasta alcanzar un estrato impermeable y constituir un acuífero, es decir un área bajo la superficie donde el agua es almacenada para su posterior aprovechamiento.

Generalmente, las comunidades más pequeñas son las que emplean abastecimientos subterráneos de agua, un inconveniente de estos es su tendencia a proveer aguas excesivamente duras, se debe a que los constituyentes que causan la dureza son lavados de los depósitos minerales. Por otro lado, el abastecimiento subterráneo tiene la ventaja de proporcionar aguas que requieren un menor grado de tratamiento, porque las impurezas se eliminan en forma natural a medida que el agua atraviesa las capas del suelo y el subsuelo.

Se debe tomar en cuenta que las características y composición de las aguas subterráneas pueden variar de acuerdo a las condiciones de la zona. (OMS)

1.3.5. Composición de las Aguas Subterráneas

La composición de las aguas subterráneas es muy variable, y depende de distintos factores, principalmente relacionados con el tipo de formación geológica por el cual se mueven y por el tiempo de residencia en ésta hasta que es descargada. En las aguas subterráneas naturales, las sustancias disueltas en ellas se encuentran principalmente como iones. Los iones

35 presentes en las aguas se pueden clasificar en función de su abundancia relativa en varios tipos: (Núñez, 2014)

 Constituyentes mayoritarios: Son una serie de elementos comunes a todas las aguas que constituyen casi la totalidad de iones en solución. Estos iones fundamentales son:

cloruros, sulfatos, bicarbonatos, calcio, sodio, magnesio, anhídrido carbónico y sílice.

 Constituyentes minoritarios: Son elementos que, por lo general, constituyen menos del 1% del contenido iónico total. Se encuentran en menor concentración; en este grupo se engloban nitratos, fluoruros, hierro, potasio, boro y estroncio.

 Elementos traza: Son compuestos que se presentan en el agua en cantidades muy pequeñas. Dentro de este grupo se encuentran iones metálicos como arsénico, antimonio, cromo, plomo, cobre, zinc, bario, vanadio, mercurio, uranio, etc., y aniones como fosfatos, yoduros, bromuros.

1.3.6. Características para determinar la Calidad del Agua

La aplicación de un enfoque integral a la evaluación y la gestión de los riesgos de los sistemas de abastecimiento de agua de consumo aumentan la confianza en la inocuidad del agua. Este enfoque conlleva la evaluación sistemática de los riesgos en la totalidad de un sistema de abastecimiento de agua de consumo, desde el agua de origen y la cuenca de captación hasta cuando el agua llega al consumidor. Es por ello de vital importancia el realizar una serie de análisis mediante la determinación de las medidas que pueden aplicarse para cuantificar estos riesgos, en caso que los mismos existiesen y se encontraran fuera de norma, así como de una serie de métodos para garantizar el funcionamiento eficaz de las medidas de control. (Núñez, 2014)

36 1.3.6.1.Características Físicas

Las características físicas que influyen en la calidad del agua son: turbidez, color, olor, sabor, temperatura, conductividad y sólidos presentes.

 Turbidez

La turbidez o turbiedad es una expresión de la propiedad de efecto óptimo causado por la dispersión e interferencia de los rayos luminosos que pasan a través de una muestra de agua; en otras palabras, es la propiedad óptima de una suspensión que hace que la luz sea remitida y no transmitida a través de la suspensión.

Pueden ser causadas principalmente por la presencia de materiales en suspensión y en estado coloidal (arcillas, limo, tierra finamente dividida), que impiden la penetración de la luz, la turbidez puede ser ocasionada además por microorganismos o por sustancias minerales que incluyen compuestos de zinc, hierro o manganeso. Todas estas causas reducen la transparencia del agua unas en menor y otras en mayor grado.

En la práctica, la remoción de la turbiedad no es un proceso complejo de llevar a cabo en una planta de clarificación de agua; sin embargo, es uno de los más influyentes en los costos de producción y en la potabilización de la misma porque, por lo general, requiere usar coagulantes, floculantes, acondicionadores de pH, ayudantes de coagulación, entre otros.

La medición de la turbiedad se realiza mediante un turbidímetro o nefelómetro. Las unidades utilizadas son, por lo general, unidades nefelométricas de turbiedad (UNT).

 Conductividad

La conductancia o conductividad es una medida de la capacidad del agua para transmitir corriente eléctrica; es un parámetro relacionado con la cantidad de iones presentes en el líquido y con la temperatura a la cual se efectúa la determinación. La conductividad del

37 agua está relacionada con la concentración de las sales en disolución, cuya disociación genera iones capaces de transportar la energía eléctrica.

Como la solubilidad de las sales en el agua depende de la temperatura, evidentemente la conductividad varía con la temperatura del agua, en general aumenta conforme aumenta la temperatura de la misma. (Coronel & Vila, 2013)

 Solidos Totales

Los sólidos totales hacen referencia a la materia suspendida o disuelta en un medio acuoso. Una de las características físicas más importantes del agua es el contenido total de sólidos, esta incluye la materia en suspensión, la materia sedimentable y la materia disuelta. Los sólidos totales es la suma de los sólidos disueltos y en suspensión que la muestra de agua pueda contener. Se puede decir que las aguas naturales sean estas subterráneas, entubadas o superficiales son un conjunto de agua con sólidos disueltos y suspendidos. Se secan de 103 a 105 °C. La determinación de sólidos totales permite estimar la cantidad de materia disuelta y en suspensión que lleva una muestra de agua.

(Coronel & Vila, 2013)

Sólidos Totales = sólidos suspendidos + sólidos disueltos

 Sólidos Disueltos o Residuos Disueltos

Los sólidos disueltos pueden afectar adversamente la calidad de un cuerpo de agua o un efluente de varias formas; las aguas para el consumo humano, con un alto contenido de sólidos disueltos, son por lo general de mal agrado para el paladar y pueden inducir una reacción fisiológica adversa en el consumidor. Por esta razón los análisis de sólidos disueltos son también importantes como indicadores de la efectividad de procesos de tratamiento biológico y físico de aguas usadas.

38

 Solidos Suspendidos

Los sólidos en suspensión son aquellos que se encuentran en el agua exceptuando los solubles y los sólidos en fino estado coloidal. Los mismos no se encuentran disueltos en el agua, pueden ser sedimentables o no. Se considera que los sólidos en suspensión son los que tienen partículas superiores a un micrómetro y que son retenidos mediante una filtración en el análisis de laboratorio.

1.3.6.2.Características Químicas

 pH

Expresa la intensidad de las condiciones ácidas o básicas del agua, mediante la concentración del Ión hidrógeno, Aunque no tiene efectos perjudiciales directos sobre la salud puede tener un papel importante en varias etapas del tratamiento del agua como por ejemplo en la coagulación, desinfección por cloro, ablandamiento y el control de corrosión. (Núñez, 2014)

 Dureza

La dureza del agua se define como la concentración de todos los cationes metálicos no alcalinos presentes (iones de calcio, estroncio, bario y magnesio en forma de carbonatos o bicarbonatos) y se expresa en equivalentes de carbonato de calcio y constituye un parámetro muy significativo en la calidad del agua. (Núñez, 2014) .El contenido salino de las aguas potables es debido principalmente a las sales de calcio y magnesio y, por esta razón, las normativas legales especifican métodos oficiales para la determinación de las concentraciones de Ca (II), Mg (II) y de la suma de ambos (dureza del agua). Ambos iones se determinan mediante dos volumetrías de formación de complejos utilizando la sal disódica del ácido etileno diaminotetraacético (Na2-EDTA) como agente complejante y un indicador metalocrómico para detectar el punto final. (Harris, 2007).

39

 Alcalinidad

La alcalinidad se representa por la presencia en el agua de iones, es la suma de las concentraciones de los iones carbonato (CO3)^-2 , bicarbonato (HCO3)^- e hidróxidos (OH)^- siendo estos últimos despreciables frente al resto. Estas especies producen en el agua un efecto tampón ya que absorben protones manteniendo el pH en un valor muy estable.

Esta propiedad es muy importante para los seres vivos en determinados medios como el flujo sanguíneo ya que mantienen el valor de pH a un valor muy constante y estable frente a posibles variaciones en el medio. Además pueden originar precipitación de sales de calcio en tuberías, aunque la alcalinidad natural presente en el agua cruda es suficiente para realizar una buena floculación; sin embargo si ésta es baja, debe recurrirse a la adición de un alcalinízate primario para incrementarla. (Harris, 2007).

 Sulfatos

La presencia de sulfatos en el agua puede llegar a producir un mal sabor, mal olor y también a disminuir el pH, aumentando su poder corrosivo. Si además de que se manifieste la presencia de sulfatos en el agua se diera la presencia de calcio o magnesio, los sulfatos reaccionan con éstos formando incrustaciones duras en tuberías y artefactos que conducen el agua.

 Fosfatos

Los compuestos del fósforo son nutrientes de las plantas y conducen al crecimiento de algas en el agua, ya sea esta superficial, subterránea o de otro tipo. Dependiendo de la concentración de fosfatos existentes en el agua, puede producirse la eutrofización. Con 1 gramo de fosfatos presentes, el agua puede provocar el crecimiento de hasta 100 g. de algas. Los compuestos de fosfatos que se encuentran en las aguas residuales o se vierten directamente a las aguas superficiales provienen de: (Harris, 2007).

 Fertilizantes eliminados del suelo por el agua o el viento

40

 Excreciones humanas y animales

 Detergentes y productos de limpieza

 Cloro Libre Residual

La desinfección del agua con cloro, es el proceso más difundido de desinfección para aguas, mejora el color, especialmente de aguas con complejos coloreados y con hierro.

Las ventajas que ofrece este tipo de desinfectante son la eliminación de bacterias patógenas para el hombre, en tiempos sumamente cortos, además es fácil de monitorear y es inocua para el ser humano a dosis adecuadas, otra ventaja sería el efecto residual que deja al agua para prevenir contaminaciones posteriores.

 Nitratos y Nitritos

Los nitratos y nitritos son iones que existen de manera natural y que forman parte del ciclo del nitrógeno. Los niveles naturales de nitratos en aguas superficiales y subterráneas son generalmente de unos pocos miligramos por litro. En muchas aguas subterráneas, se ha observado un incremento de los niveles de nitratos debido a la intensificación de las prácticas agrícolas y ganaderas. La concentración de nitratos, al igual que la de nitritos está relacionada con la posterior aparición de algas y para uso de consumo puede provocar una gran cantidad de enfermedades. La presencia de nitratos en el agua se debe a la descomposición de la materia orgánica, a contaminación por aplicación de fertilizantes agrícolas, efluentes urbanos e industriales, lixiviados de vertederos de residuo sólidos, etc.

La presencia de nitritos en cambio se debe a la reducción de los nitratos por actividad bacteriana. No debe existir en el agua porque es nocivo para la salud, siendo su presencia síntoma indudable de contaminación. (Harris, 2007).

41

 Metales Pesados

Vestigios de muchos metales tales como el níquel (Ni), manganeso (Mn), plomo (Pb), cromo (Cr), aluminio (Al), Arsenio (As), cobre (Cu), Hiero (Fe) y mercurio (Hg), son importantes contribuyentes de muchas aguas. La presencia de cualquiera de los metales citados en cantidades excesivas interfieren con muchos usos provechosos del agua dada su toxicidad; por tanto, conviene casi siempre medir y controlar las concentraciones de dicho metales.

1.4. ELECTROQUÍMICA 1.4.1. Procesos Electroquímicos

Está basado en la utilización de técnicas electroquímicas, haciendo pasar una corriente eléctrica a través del agua (que necesariamente ha de contener un electrolito) y provocando reacciones de oxidación – reducción tanto en el cátodo como en el ánodo. Por tanto se utiliza energía eléctrica como vector de descontaminación ambiental, siendo su costo la única desventaja de este proceso. Sin embargo como como ventaja cabe destacar la versatilidad de los equipos, la ausencia tanto de la utilización de reactivos como la presencia de fangos y la selectividad, pues controlar el potencial de electrodo permite seleccionar la reacción electroquímica dominante deseada. Las consecuencias de las reacciones que se producen pueden ser indirectas, como en el caso de la electrocoagulación, electroflotacion o electro floculación, donde los productos formados por electrolisis sustituyen a los reactivos químicos, y supone una alternativa como futuro a la clásica adición de reactivos. (Cayllahua

& Ricse, 2007).

1.4.1.1.Oxidación en Ánodo

En el ánodo se puede producir la oxidación de los compuestos a eliminar, tanto orgánicos como inorgánicos. Esta oxidación se puede producir directamente por una transferencia de electrones en la superficie del ánodo o bien por la generación de un agente oxidante in-situ.

42 En este último caso se evita manipular agentes oxidantes. Entre las aplicaciones de la oxidación directa cabe destacar el tratamiento de cianuros, colorantes compuestos orgánicos tóxicos (en algunos ocasiones haciéndolos más biodegradables), incluso la oxidación de Cr (III) a Cr (VI), mas toxico pero de esta forma puede ser utilizado. En rango de concentraciones con posibilidades de utilizar este tipo de tratamiento también es muy amplio. (Cayllahua & Ricse, 2007)

1.4.1.2.Reducción en Cátodo

La principal aplicación de esta posibilidad es la reducción de metales tóxicos. Se ha utilizado en situaciones, no poco frecuentes de reducción de metales catiónicos desde varios miles de partes por millón de concentración hasta valores incluso por debajo de los LMP. Hay una primera etapa de deposición del metal sobre la superficie del cátodo que ha de continuarse con la remoción del mismo. Esto se puede hacer por raspado, disolución en otra fase, etc.

(Cayllahua & Ricse, 2007).

1.4.1.3.Tecnologías Electroquímicas

Además de las ya mencionadas tecnologías aparecen numerosas citas que hacen referencias al uso de técnicas como: electro oxidación, electrolisis, electrocoagulación, electroflotación, electro adsorción, etc. Debido que los tratamientos electroquímicos implica una etapa de electrolisis, estos se pueden agrupar en funciones del tipo de eliminación que se produce.

(Huerga, 2005)

43 Figura 1.2: Tecnologías Electroquímica

Fuente: Elaboración Propia.

1.4.2. Electrocoagulación

La electrocoagulación es una técnica utilizada para el tratamiento de agua potable y agua residuales. Los contaminantes de muy diversos efluentes son removidos aplicando el principio de coagulación, pero en este caso no se hace uso de un coagulante químico (cuya función es llevada a cabo por corriente eléctrica que es aplicada al medio líquido contaminado, como se muestra en la figura1.3. Definir la electrocoagulación como un proceso en el cual son desestabilizadas las partículas de contaminantes que se encuentran suspendidas, emulsionadas o disueltas en un medio acuoso, induciendo corriente eléctrica en el agua a través de placas metálicas paralelas de diversos materiales, siendo el hierro y el aluminio los más utilizados.

La corriente eléctrica proporciona la fuerza electromotriz que provoca una serie de reacciones químicas, cuyo resultado final es la estabilidad de las moléculas contaminantes.

Por lo general este estado estable produce partículas sólidas menos coloidales y menos emulsionadas o solubles. Cuando esto ocurre, los contaminantes forman componentes hidrofóbicos que se precipitan o flotan, facilitando su remoción por algún método de separación secundario. Los iones metálicos se liberan y dispersan en el medio líquido y

44 tienden a formar óxidos metálicos que atraen eléctricamente a los contaminantes que han sido desestabilizados. (Restrepo & Arango, 2006)

Figura1.3: Sistema de electrocoagulación Fuente: Restrepo & Arango, 2006 1.4.3. Historia y Evolución de la Electrocoagulación

La electroquímica nace a finales del siglo XVIII con los trabajos de Galvani y Volta, y ha tenido desarrollos y aplicaciones en múltiples áreas. Podemos mencionar su uso en el arranque de los motores de los automóviles, en procesos de síntesis química y métodos para la eliminación de la contaminación.

La electrocoagulación ha sido una tecnología emergente desde 1906, con la primera patente concedida en Estados Unidos. Problemas de tipo financiero o de regulación de incentivos generaron tropiezos para que la industria adoptara esta técnica, pero se conocen desarrollos anteriores. Desde el siglo XIX, exactamente en 1888, se efectuó el primer ensayo reportado en Londres por Webster. Su proceso utilizaba ánodos de hierro soluble, con una caída de potencial de 1.8 vatios entre los electrodos, distantes una pulgada, y una corriente anódica de 0.6 Amp/pie².

En 1893, Wolff electrolizó una solución concentrada de sal para producir cloro y soda cáustica, que utilizaba para esterilizar aguas negras en Brewster, NY.11 En 1896 se usó en

45 Lousville, Kentucky, una modificación del proceso de Webster para coagular agua cenagosa del río Ohio, proceso en el que se utilizaron ánodos de hierro y aluminio. En 1908 el procesoWebster se utilizó en Santa Mónica, con reducciones de 40% de materia orgánica.

En 1914 se utilizó en New York una modificación del proceso Webster llamado Landreth.

En éste se añade cal para mejorar la conductividad del electrolito. En 1932 fue utilizada la electrocoagulación en Alemania, con eficiencias del 50% en reducción de la DBO de aguas residuales. La falla de estos procesos se dio por el alto costo de la energía y la necesidad de recambiar los electrodos.

Durante las dos últimas décadas se han reportado trabajos en donde se utiliza el proceso para remover partículas dispersas de aceite, grasa y petróleo en el tratamiento de aguas residuales provenientes de procesos de electroplateado, textiles y en procesos de potabilización del agua misma, entre otros. (Restrepo & Arango, 2006)

1.4.4. Fundamento Teórico de la Electrocoagulación

El fundamento teórico de la electrocoagulación consiste en que la precipitación se lleve a cabo al mismo tiempo que la desestabilización; en cambio, la coagulación química consiste en la formación de lodos debido a la unión que forma masas de tamaños considerables, para luego repararlas del agua mediante la adición de más químicos como el sulfato de aluminio y el cloruro férrico, entre otros. Las masas se forman por el contacto, este se logra principalmente por el movimiento del líquido, debido a fenómenos eléctricos, como la presencia de carga opuesta a la acción de hidrógenos y otros. (Global, 2005)

Es importante mencionar que el agua sometida a una electrolisis se ve favorecido por la presencia de sales en disolución, que posibilitan la conducción de electricidad, debido a esto se produce un desprendimiento de hidrogeno y oxigeno gaseoso en sus respectivos electrodos, estos gases al ascender a la superficie provocan tres fenómenos: